2. SPI时序与模式：CPOL与CPHA详解

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步、全双工、主从架构的串行通信协议。其核心在于主设备（Master）通过时钟信号（SCLK）控制数据采样与切换的时机。理解时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）是掌握SPI时序的关键，也是配置SPI设备驱动的基础。

2.1 CPOL与CPHA核心概念

CPOL（Clock Polarity）和CPHA（Clock Phase）共同决定了SPI总线的四种工作模式。这两个参数定义了时钟信号在空闲状态的电平以及数据采样/切换的边沿。

2.2 SPI Mode 0/1/2/3 定义与组合

根据CPOL和CPHA的不同组合，SPI定义了四种标准模式。每种模式都有其特定的时序波形特征。

2.3 四种模式的时序图（SVG）

以下SVG图展示了SPI Mode 0~3的典型时序波形，包含SCLK、MOSI（主出从入）和SS（从设备选择）信号。

2.4 时钟极性与相位配置

在嵌入式Linux驱动中，SPI模式的配置通常在设备树（Device Tree）或板级文件中完成。内核通过读取这些配置来初始化SPI控制器。

2.4.1 设备树中的配置示例

以下是在设备树中为SPI从设备指定模式的典型配置：

&spi0 {
    status = "okay";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_spi0>;

    spidev@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;                 /* 片选CS0 */
        spi-max-frequency = <1000000>; /* 1MHz */
        spi-cpol;                  /* CPOL = 1 */
        spi-cpha;                  /* CPHA = 1 */
        /* 上述两个属性组合为 Mode 3 */
    };
};

2.4.2 内核驱动中的配置方式

在SPI设备驱动中，可以通过 spi_setup() 函数或直接修改 spi_device 结构体成员来配置模式：

#include <linux/spi/spi.h>

static int my_spi_probe(struct spi_device *spi)
{
    int ret;

    /* 配置SPI模式为 Mode 0 */
    spi->mode = SPI_MODE_0;
    /* 或者使用位操作 */
    /* spi->mode = SPI_CPOL | SPI_CPHA; // 对应 Mode 3 */

    /* 设置最大频率 */
    spi->max_speed_hz = 5000000; /* 5MHz */

    /* 应用配置 */
    ret = spi_setup(spi);
    if (ret < 0) {
        dev_err(&spi->dev, "spi_setup failed\n");
        return ret;
    }

    /* 后续通信 */
    return 0;
}

2.5 典型波形分析

在实际调试中，使用逻辑分析仪或示波器抓取波形是验证SPI配置是否正确的最直接方法。以下是一个典型的SPI Mode 0波形分析案例。

2.6 模式选择与驱动配置总结

下表总结了不同SPI模式在驱动开发中的典型应用场景和注意事项：