2. SPI 总线协议基础

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种由 Motorola 公司推出的高速、全双工、同步通信总线。在车载 MCU 系统中，SPI 广泛用于连接传感器（如加速度计、陀螺仪）、ADC/DAC 转换器、外部存储器（如 Flash、EEPROM）、显示驱动芯片以及 CAN/LIN 收发器的配置接口。理解 SPI 的物理层特性、工作模式与拓扑结构，是编写正确、稳定驱动的前提。

2.1 SPI 物理层信号定义

SPI 总线使用 4 根信号线进行通信，相较于 I2C 的两线制，SPI 以更多引脚换取更高的传输速率和更简单的协议逻辑。

2.2 全双工通信原理

SPI 的核心优势在于全双工（Full-Duplex）通信。在一个时钟周期内，主机通过 MOSI 发送一位数据的同时，从机通过 MISO 返回一位数据。这种机制使得 SPI 的通信效率极高，尤其适合需要同时读写寄存器的场景（如读取 ADC 转换结果时写入下一通道配置）。

全双工的数据流模型如下：

• 主机发送移位寄存器 → 通过 MOSI 逐位移出 → 从机接收移位寄存器
• 从机发送移位寄存器 → 通过 MISO 逐位移出 → 主机接收移位寄存器

在 MCU 驱动层面，一次 SPI 传输通常表现为：

// 伪代码：SPI 全双工单字节传输
uint8_t spi_transfer_byte(uint8_t tx_data) {
    SPIx->DR = tx_data;          // 写入发送寄存器，启动传输
    while (!(SPIx->SR & SPI_SR_RXNE)); // 等待接收非空标志
    return (uint8_t)(SPIx->DR);  // 读取接收数据
}

2.3 4 种工作模式（CPOL / CPHA）

SPI 协议通过时钟极性（CPOL，Clock Polarity）和时钟相位（CPHA，Clock Phase）的组合，定义了 4 种不同的工作模式。主从设备必须在同一模式下才能正常通信。

CPOL 决定时钟空闲状态：

• CPOL = 0：SCK 空闲时为低电平
• CPOL = 1：SCK 空闲时为高电平

CPHA 决定数据采样时刻：

• CPHA = 0：在 SCK 的第一个边沿采样数据
• CPHA = 1：在 SCK 的第二个边沿采样数据

2.4 主从机拓扑结构

SPI 总线采用主从式（Master-Slave）拓扑结构。系统中只有一个主机（通常是 MCU），可以连接一个或多个从机。根据从机数量与 CS 线的控制方式，SPI 拓扑分为以下两种常见形式：

2.4.1 独立片选（多从机）

• 每个从机使用独立的 CS 引脚，由主机 GPIO 分别控制。
• SCK、MOSI、MISO 三根线并联到所有从机。
• 优点：从机之间完全独立，通信互不干扰。
• 缺点：占用主机 GPIO 资源较多。

2.4.2 菊花链（Daisy-Chain）

• 所有从机共享同一 CS 和 SCK，但 MOSI 依次串联：主机 MOSI → 从机 1 SI → 从机 1 SO → 从机 2 SI → 从机 2 SO → 主机 MISO。
• 优点：节省主机 GPIO 引脚。
• 缺点：传输延迟累积，数据帧长度增加，驱动逻辑复杂。
• 车载应用：较少使用，仅在移位寄存器类设备（如 LED 驱动、GPIO 扩展）中偶见。

2.5 车载 SPI 驱动开发关键要点