4. SPI协议基础：SPI四线（SCLK、MOSI、MISO、CS）与三线模式、时钟极性（CPOL）与相位（CPHA）配置

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种全双工、同步、主从式串行通信总线，由 Motorola 公司推出。在嵌入式系统中，SPI 因其高速、简单、硬件开销低的特点，被广泛用于 MCU 与 LCD 屏、传感器、ADC/DAC、存储器等外设之间的数据交换。理解 SPI 的线缆定义、工作模式以及时钟配置，是驱动 LCD 屏的基础。

4.1 SPI 四线标准模式

标准 SPI 总线使用 4 根信号线完成主从设备之间的通信，其连接拓扑如下图所示：

四根信号线的功能定义如下：

4.2 SPI 三线模式

三线模式并非指去掉 MISO 或 MOSI 中的一根，而是指在资源受限的场景下，将 MOSI 和 MISO 合并为一条双向数据线（SDA/SIO），配合 SCLK 和 CS 构成三线制。常见于低成本传感器或部分 LCD 驱动 IC。

4.3 时钟极性（CPOL）与相位（CPHA）

SPI 协议通过 CPOL 和 CPHA 两个参数定义时钟空闲电平以及数据采样/切换的边沿，组合出 4 种工作模式（Mode 0 ~ Mode 3）。

• CPOL（Clock Polarity）：定义 SCLK 空闲时的电平。
  • CPOL = 0：空闲时 SCLK 为低电平
  • CPOL = 1：空闲时 SCLK 为高电平
• CPHA（Clock Phase）：定义数据采样和切换的边沿。
  • CPHA = 0：在 SCLK 的第一个边沿采样数据（上升沿或下降沿取决于 CPOL）
  • CPHA = 1：在 SCLK 的第二个边沿采样数据

四种模式的详细时序特征如下表：

下图以 Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）和 Mode 3（CPOL=1, CPHA=1）为例，展示 SCLK 与 MOSI/MISO 的时序关系：

4.4 模式配置与 LCD 驱动匹配

在驱动 LCD 屏时，必须查阅 LCD 控制器数据手册中的 SPI 时序图，确认其要求的 CPOL 和 CPHA 组合。绝大多数 LCD 驱动 IC 默认支持 Mode 0 或 Mode 3，因为这两种模式都在上升沿采样数据，便于 MCU 的 SPI 外设在时钟上升沿锁存数据。

// SPI 句柄配置结构体
SPI_HandleTypeDef hspi1;
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;      // 全双工
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;                    // 软件控制 CS
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4;
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
HAL_SPI_Init(&hspi1);

4.5 多从设备 SPI 总线扩展

当系统中存在多个 SPI 从设备（如 LCD + 触摸屏 + Flash）时，可通过独立的 CS 线实现分时复用 SCLK、MOSI、MISO 总线。每个从设备独占一根 CS 线，主设备在通信前将目标设备的 CS 拉低，其余从设备的 CS 保持高电平，使其数据输出引脚处于高阻态。