3. SPI 总线协议详解：物理层与时序核心

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种由 Motorola 公司提出的全双工、同步、主从式串行通信总线。本章深入剖析 SPI 的物理层信号定义、四线制工作机制、时钟极性（CPOL）与相位（CPHA）的配置逻辑，以及由此衍生的四种数据传输模式。理解这些底层细节是后续驱动开发和传感器适配的基础。

3.1 SPI 物理层与四线制信号

SPI 总线在物理层上通过四条信号线实现主设备（Master）与从设备（Slave）之间的数据交换。与 I2C 的开漏极架构不同，SPI 使用推挽输出，因此支持更高的传输速率（通常可达数十 MHz）。

下图展示了 SPI 四线制的基本连接拓扑。主设备通过独立的 CS 线分别控制多个从设备，而 SCLK、MOSI、MISO 则共享连接。

3.2 时钟极性（CPOL）与相位（CPHA）

SPI 协议的核心灵活性体现在时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的配置上。这两个参数决定了数据采样和切换的时序边界。

• CPOL（Clock Polarity）：定义 SCLK 在空闲状态（无数据传输时）的电平。
  • CPOL = 0：空闲时 SCLK 为低电平。
  • CPOL = 1：空闲时 SCLK 为高电平。
• CPHA（Clock Phase）：定义数据采样发生在 SCLK 的哪个边沿。
  • CPHA = 0：在第一个时钟边沿（上升沿或下降沿，取决于 CPOL）采样数据。
  • CPHA = 1：在第二个时钟边沿采样数据。

3.3 四种 SPI 数据传输模式

根据 CPOL 和 CPHA 的组合，SPI 定义了四种标准传输模式（Mode 0 ~ Mode 3）。这是嵌入式工程师必须熟记的配置表。

下图以 Mode 0 和 Mode 3 为例，展示了 SCLK、MOSI 和 MISO 的时序关系。注意数据在采样边沿必须保持稳定。

3.4 数据传输流程与代码示例

一次完整的 SPI 数据传输遵循以下步骤：

1. 片选使能：主设备将对应从设备的 CS 引脚拉低，选中从设备。
2. 时钟启动：主设备开始产生 SCLK 时钟信号。
3. 数据移位：在每个时钟周期，主设备通过 MOSI 发送一位数据，同时从设备通过 MISO 发送一位数据。数据通常以 MSB（最高有效位）先行。
4. 传输完成：发送完指定字节数后，主设备停止 SCLK，并将 CS 拉高，释放从设备。

以下是一个 Linux 内核 SPI 驱动中配置模式和传输数据的典型代码片段：

#include <linux/spi/spi.h>

/* 配置 SPI 设备 */
static int sensor_spi_setup(struct spi_device *spi)
{
    int ret;

    /* 设置 SPI 模式：Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0) */
    spi->mode = SPI_MODE_0;

    /* 设置最大时钟频率：1 MHz */
    spi->max_speed_hz = 1000000;

    /* 设置每字位数：8 位 */
    spi->bits_per_word = 8;

    ret = spi_setup(spi);
    if (ret < 0) {
        pr_err("SPI setup failed\n");
        return ret;
    }

    return 0;
}

/* 发送和接收数据 */
static int sensor_spi_transfer(struct spi_device *spi,
                               u8 *tx_buf, u8 *rx_buf, size_t len)
{
    struct spi_transfer t = {
        .tx_buf = tx_buf,
        .rx_buf = rx_buf,
        .len    = len,
        .speed_hz = 1000000,
        .bits_per_word = 8,
    };
    struct spi_message m;

    spi_message_init(&m);
    spi_message_add_tail(&t, &m);

    return spi_sync(spi, &m);
}

3.5 本章小结