4. CPOL=0, CPHA=1 模式详解：空闲时SCLK为低电平，数据在第二个时钟边沿（下降沿）采样

CPOL=0, CPHA=1 是 SPI 四种模式中应用较为广泛的一种组合。理解该模式的关键在于把握两个核心特征：时钟空闲电平为低，以及数据采样发生在第二个时钟边沿（即下降沿）。这种配置下，数据在时钟的下降沿被主设备或从设备捕获，而在上升沿进行数据切换。

4.1 模式特征与信号时序

在 CPOL=0, CPHA=1 模式下，SPI 总线的行为可以归纳为以下要点：

• 时钟极性 (CPOL=0)：当 SPI 总线处于空闲状态（无数据传输，CS 为高）时，SCLK 信号线保持为低电平。
• 时钟相位 (CPHA=1)：数据采样（捕获）动作发生在第二个时钟边沿。由于 CPOL=0，第一个边沿是上升沿，第二个边沿即为下降沿。
• 数据切换：数据发送端（主设备输出 MISO 或从设备输出 MOSI）在第一个时钟边沿（上升沿）切换数据，为下一个下降沿的采样做好准备。
• 建立与保持时间：数据在下降沿被采样，因此数据必须在下降沿到来之前保持稳定（建立时间），并在下降沿之后保持一段时间（保持时间）。

4.2 波形图与数据有效性分析

下图展示了 CPOL=0, CPHA=1 模式下，一个 8 位数据帧（例如 0xA5，二进制 1010_0101）的传输波形。图中清晰标注了时钟边沿、数据切换点与采样点。

4.3 数据采样与切换的详细流程

为了更清晰地理解数据在 CPOL=0, CPHA=1 模式下的传输过程，下表列出了每个时钟边沿对应的操作：

4.4 驱动适配要点

在 Linux 内核或 RTOS 中配置 SPI 设备时，需要正确设置模式参数。以下是在 Linux 设备树和驱动代码中的典型配置方法。

4.4.1 Linux 设备树配置

在设备树中，通过 spi-cpol 和 spi-cpha 属性来指定模式。对于 CPOL=0, CPHA=1，需要设置 spi-cpha 属性，而不设置 spi-cpol。

&spi1 {
    status = "okay";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_spi1>;

    spidev@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <10000000>;  /* 10 MHz */
        spi-cpha;                         /* CPHA = 1 */
        /* spi-cpol 未定义，默认为 0 */
    };
};

4.4.2 Linux 驱动代码配置

在驱动代码中，通过 spi_mode 字段设置模式。使用宏 SPI_MODE_1 即可快速配置 CPOL=0, CPHA=1。

#include <linux/spi/spi.h>

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

    /* 设置 SPI 模式为 CPOL=0, CPHA=1 */
    spi->mode = SPI_MODE_1;
    
    /* 设置最大时钟频率 */
    spi->max_speed_hz = 10 * 1000 * 1000;  /* 10 MHz */
    
    /* 将配置写入 SPI 控制器 */
    ret = spi_setup(spi);
    if (ret < 0) {
        dev_err(&spi->dev, "spi_setup failed: %d\n", ret);
        return ret;
    }

    dev_info(&spi->dev, "SPI mode 1 (CPOL=0, CPHA=1) configured\n");
    return 0;
}

4.4.3 RTOS (如 FreeRTOS) 驱动配置

在 RTOS 中，通常通过结构体成员或函数参数来配置 SPI 模式。以下是一个典型的配置示例：

/* FreeRTOS + HAL 库示例 */
SPI_HandleTypeDef hspi1;

void MX_SPI1_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_2EDGE;           /* CPHA = 1 */
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8;
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
    
    if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

4.5 常见问题与调试建议

调试 CPOL=0, CPHA=1 模式时，建议遵循以下步骤：

1. 使用逻辑分析仪或示波器：同时抓取 CS、SCLK、MOSI 和 MISO 信号，验证波形是否符合预期。
2. 检查空闲电平：确认 CS 为高时，SCLK 是否为低电平。如果 SCLK 空闲时为高，说明 CPOL 配置错误。
3. 验证采样点：观察数据变化是否发生在上升沿，采样是否发生在下降沿。如果数据在下降沿变化，说明 CPHA 配置错误。
4. 测试回环：将 MOSI 与 MISO 短接，发送已知数据并验证接收是否一致。这是验证 SPI 模式配置是否正确的快速方法。

4.6 与其他模式的对比

下表将 CPOL=0, CPHA=1 模式与其他三种 SPI 模式进行对比，帮助理解其差异：