SPI 四种模式：CPOL 和 CPHA 详解
做 SPI 设计，第一道坎就是分清四种模式。
CPOL 和 CPHA 这两个参数，决定了数据什么时候采样、什么时候跳变。
看似只是两位寄存器配置，一旦搞错，你的 SPI 接口要么读回全 0，要么数据歪七扭八。我见过好几个项目，Debug 花了三天，最后发现问题就是模式配反了。
1. 两个参数到底在说什么？
| 参数 | 全称 | 控制什么 |
|---|---|---|
| CPOL | Clock Polarity（时钟极性） | 空闲时 SCK 是高电平还是低电平 |
| CPHA | Clock Phase（时钟相位） | 数据是在 SCK 的第一个边沿采样，还是第二个边沿采样 |
CPOL = 0：空闲时 SCK 为低电平。
CPOL = 1：空闲时 SCK 为高电平。
CPHA = 0：在 SCK 的第一个边沿（上升或下降）采样数据。
CPHA = 1：在 SCK 的第二个边沿（上升或下降）采样数据。
— CPOL 决定“没时钟的时候线是趴着还是躺着”；
— CPHA 决定“数据是在时钟的第一次跳变被抓走，还是第二次”。
2. 四种组合，一张图说清楚
我个人习惯把这四种模式叫作 模式 0、1、2、3，对应的 CPOL/CPHA 分别是：
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲 SCK 电平 | 采样边沿 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 低 | 上升沿（第一个边沿） |
| 1 | 0 | 1 | 低 | 下降沿（第二个边沿） |
| 2 | 1 | 0 | 高 | 下降沿（第一个边沿） |
| 3 | 1 | 1 | 高 | 上升沿（第二个边沿） |
你想想看：为什么模式 0 和模式 2 都是第一个边沿采样，但采样边沿一个上升一个下降？因为 CPHA=0 固定取第一个边沿，但 CPOL 决定了空闲电平和跳变方向——CPOL=0 时第一个边沿是上升，CPOL=1 时第一个边沿是下降。反过来，CPHA=1 的情况也是同理。
Mode 0 是最常用的，很多便宜传感器默认就用它。
如果你不确定从设备支持什么模式，先试 Mode 0，不行再试 Mode 3。
下面我用 SVG 把这四种模式的时序关系画了一下，方便你对比：
3. 配错了会怎样？
说白了就是采样点没对上。你发射数据是在时钟的某个边沿，但从设备却在另一个边沿采样——读到的数据会整体偏移一个 bit。
我在项目中遇到过：一个温度传感器读回来的温度值一直在 0x00 和 0x80 之间跳，根本不是有效数据。后来抓出来看波形，发现主机配置成了 Mode 0，但传感器的数据手册要求 Mode 3。因为模式 0 的第一个边沿是上升沿，而模式 3 的第二个边沿也是上升沿——听起来好像都是上升沿采样？不对！模式 0 第一个上升沿采的是 主机刚启动时的数据，而模式 3 第二个上升沿采的是 数据稳定后的值。一个字节差了一个时钟周期，当然全错。
— 一些带 SPI 的 flash 芯片既支持 Mode 0 也支持 Mode 3，但如果你配置成 Mode 1 或 Mode 2，通讯可能不稳定，偶尔对偶尔错。
— 从设备的 初始输出数据 可能是在第一个边沿之前就变化了，还是之后才变化？这决定了建立时间和保持时间是否满足。
— 我建议你查从设备数据手册中的时序图：找到 SCLK 波形旁边的 MOSI/MISO 变化点，看它是在第一个边沿变化还是在第二个边沿变化。对应 CPHA 就能定下来。
4. 实战中如何快速确认模式？
你想想看：你要是拿到一个不熟悉的从设备，又没有手册，怎么办？
我曾经用逻辑分析仪去抓从设备在空闲时 CS 拉低后的第一个时钟行为：如果从设备在 CS 拉低后、第一个时钟边沿来之前就把 MISO 数据准备好了，那多半是 CPHA=0；如果一定要等到第一个边沿之后 MISO 才有数据，那就是 CPHA=1。CPOL 更好判断——看 SCK 空闲时是高还是低就行。
在 RTL 仿真阶段，我习惯给 SPI 模块配一个 模式检测器：连续发送 0x55（01010101），然后读取回的数据。如果回的数据是 0x55 就说明模式匹配；如果是 0xAA 就说明偏移了一位；如果是乱码，说明建立时间有问题，模式本身可能没错但时序裕量不够。
5. 时序约束里怎么体现四种模式？
做 STA 的时候，四种模式的差异会直接影响你的 输入延迟 和 输出延迟 约束。
| 模式 | 采样边沿类型 | 数据变化相对时钟边沿 | 约束关注点 |
|---|---|---|---|
| 0 | 上升沿 | 变化在下降沿（第二个边沿） | 输入数据需在上升沿前建立好 |
| 1 | 下降沿 | 变化在上升沿（第一个边沿） | 输入数据需在下降沿前建立好 |
| 2 | 下降沿 | 变化在上升沿（第二个边沿） | 输入数据需在下降沿前建立好 |
| 3 | 上升沿 | 变化在下降沿（第一个边沿） | 输入数据需在上升沿前建立好 |
嗯，这里要注意：模式 0 和模式 3 虽然采样边沿都是上升沿，但数据变化的位置不同。模式 0 的数据在下降沿变化，所以从采样上升到下一次数据变化之间有半个周期（加上 CPOL 决定的空闲电平时间）来保持；模式 3 的数据也是在下降沿变化，但 CPOL=1 时，采样上升沿之后的下一个下降沿就是下一个数据变化——所以模式 3 的保持时间更紧张。我建议在对模式 3 做时序分析时，多留一点 slack。
— CPOL 决定空闲电平，CPHA 决定采样边沿顺序。
— 四种模式就是（空闲电平低/高）×（第一边沿/第二边沿）。
— 实际项目中 60% 用 Mode 0，30% 用 Mode 3，剩下的 10% 是 Mode 1 和 Mode 2 的特殊器件。
— 调试时先查手册，再看波形，最后调配置寄存器。