2. SPI 工作模式：CPOL 与 CPHA 详解

SPI 通信的灵活性体现在其四种工作模式（Mode 0 ~ Mode 3）上。这些模式由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）两个参数决定。理解这两个参数是正确配置 SPI 外设、确保主从设备正常通信的前提。

2.1 CPOL 与 CPHA 核心概念

• CPOL（Clock Polarity，时钟极性）：定义 SPI 总线在空闲状态（无数据传输）时，SCK 时钟信号的电平。
  • CPOL = 0：空闲时 SCK 为低电平（0）。
  • CPOL = 1：空闲时 SCK 为高电平（1）。
• CPHA（Clock Phase，时钟相位）：定义数据采样（读取）和切换（输出）相对于 SCK 时钟边沿的时刻。
  • CPHA = 0：在 SCK 的第一个边沿（上升沿或下降沿，取决于 CPOL）采样数据，在第二个边沿切换数据。
  • CPHA = 1：在 SCK 的第二个边沿采样数据，在第一个边沿切换数据。

2.2 四种工作模式（Mode 0 ~ Mode 3）

通过组合 CPOL 和 CPHA 的 0/1 状态，可以得到四种标准 SPI 模式。下表总结了各模式的配置参数和典型应用场景。

2.3 四种模式的时序图详解

下面的 SVG 时序图展示了在发送一个字节（0x52，二进制 0101 0010）时，四种模式下的 SCLK、MOSI 和 MISO 信号波形。图中清晰标出了数据采样点和数据切换点。

2.4 如何选择正确的 SPI 模式

选择 SPI 模式的核心依据是从设备的数据手册。以下是驱动开发中的标准排查流程：

1. 查阅 Datasheet：找到从设备的 SPI 接口章节，通常会明确标注支持的 SPI 模式（如 "SPI Mode 0 and Mode 3"）。
2. 观察时序图：手册中的时序图会标明数据是在 SCLK 的上升沿还是下降沿被采样，以及空闲时钟电平。
3. 初始化配置：在 MCU 的 SPI 外设初始化代码中，设置 CPOL 和 CPHA 寄存器位。
4. 验证通信：发送一个已知的读 ID 命令，检查返回的数据是否正确。

2.5 模式配置代码示例（基于 STM32 HAL 库）

以下代码展示了如何在 STM32 平台上初始化 SPI1 为 Mode 0 和 Mode 3。实际开发中，请根据芯片型号调整寄存器操作。

// SPI 初始化结构体
SPI_HandleTypeDef hspi1;

// 配置为 SPI Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0)
void SPI_Mode0_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;      // CPOL = 0
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;          // CPHA = 0
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16;
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

// 配置为 SPI Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1)
void SPI_Mode3_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;     // CPOL = 1
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;          // CPHA = 1
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16;
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

2.6 四种模式适用场景总结

下表从数据采样稳定性和硬件兼容性两个维度，总结了四种模式的适用场景。