4. SPI协议详解：四线制、工作模式与数据帧格式
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种全双工、同步、主从式的串行通信协议，由Motorola公司于20世纪80年代提出。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ADC/DAC、LCD显示屏、SD卡、传感器、存储器等外设的通信。本章将深入剖析SPI协议的物理层信号定义、四种时钟模式以及数据帧格式，为后续时钟树配置与DMA传输的协同设计奠定基础。
4.1 SPI四线制信号定义
标准SPI接口使用四条信号线完成主从设备之间的数据交换，每条信号线都有明确的角色和时序约束。
| 信号线 | 全称 | 方向（主设备视角） | 功能描述 |
|---|---|---|---|
| SCK | Serial Clock | 输出 | 由主设备产生，同步数据传输的时钟信号 |
| MOSI | Master Out Slave In | 输出 | 主设备发送数据至从设备的数据线 |
| MISO | Master In Slave Out | 输入 | 从设备发送数据至主设备的数据线 |
| NSS | Negative Slave Select | 输出 | 片选信号，低电平有效，用于选中目标从设备 |
关键提示： NSS信号在硬件NSS模式下由主设备GPIO直接控制，在软件NSS模式下可通过SPI控制寄存器配置。多从设备系统中，每个从设备需独立占用一个GPIO作为NSS引脚。
SPI通信的基本流程如下：
- 主设备将目标从设备的NSS引脚拉低，选中该从设备。
- 主设备在SCK线上产生连续的时钟脉冲。
- 在每个时钟周期内，主设备通过MOSI线发送一位数据，同时从设备通过MISO线返回一位数据。
- 数据传输完成后，主设备将NSS拉高，释放从设备。
4.2 SPI四种工作模式（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，定义了四种不同的工作模式。主设备和从设备必须工作在相同的模式下才能正确通信。
- CPOL：决定SCK空闲时的电平状态。
- CPOL = 0：空闲时SCK为低电平
- CPOL = 1：空闲时SCK为高电平
- CPHA：决定数据采样发生在SCK的哪个边沿。
- CPHA = 0：在SCK的第一个边沿（上升沿或下降沿）采样数据
- CPHA = 1：在SCK的第二个边沿采样数据
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲SCK电平 | 数据采样边沿 | 数据输出边沿 |
|---|---|---|---|---|---|
| 模式0 | 0 | 0 | 低电平 | 上升沿（第一个边沿） | 下降沿 |
| 模式1 | 0 | 1 | 低电平 | 下降沿（第二个边沿） | 上升沿 |
| 模式2 | 1 | 0 | 高电平 | 下降沿（第一个边沿） | 上升沿 |
| 模式3 | 1 | 1 | 高电平 | 上升沿（第二个边沿） | 下降沿 |
工程经验： 绝大多数SPI外设默认使用模式0（CPOL=0, CPHA=0）或模式3（CPOL=1, CPHA=1）。模式0和模式3的采样边沿都是上升沿，区别仅在于空闲电平。在MCU驱动开发中，务必查阅外设数据手册确认其支持的SPI模式。
4.3 数据帧格式：8位与16位
SPI协议支持可配置的数据帧长度，最常见的为8位和16位两种格式。数据帧格式决定了每次片选有效期间传输的数据位数，以及移位寄存器的操作方式。
4.3.1 8位数据帧
- 默认格式：大多数MCU的SPI外设复位后默认配置为8位数据帧。
- 传输顺序：MSB（最高有效位）优先发送，LSB（最低有效位）最后发送。
- 典型应用：字符型LCD、温度传感器（如MAX6675）、8位ADC/DAC。
- 寄存器配置：在STM32中通过SPI_CR1寄存器的DFF位（Data Frame Format）设置为0。
4.3.2 16位数据帧
- 传输效率：单次传输16位数据，减少片选切换开销，适用于高速数据流。
- 典型应用：16位ADC/DAC（如ADS1115）、音频编解码器、高精度传感器。
- 寄存器配置：在STM32中设置SPI_CR1寄存器的DFF位为1。
- 注意事项：16位模式下，发送寄存器和接收寄存器均为16位宽度，CPU或DMA访问时需按半字（half-word）操作。
| 特性 | 8位数据帧 | 16位数据帧 |
|---|---|---|
| 数据宽度 | 8 bits | 16 bits |
| 每帧SCK周期数 | 8 | 16 |
| 寄存器访问宽度 | 字节（8位） | 半字（16位） |
| DMA传输单位 | 1字节 | 2字节 |
| 典型外设 | SPI Flash、SD卡 | 音频DAC、高精度ADC |
| 帧间隔时间 | 较短 | 较长（相同SCK频率下） |
常见陷阱： 当SPI配置为16位数据帧时，如果CPU或DMA以字节为单位写入发送寄存器，会导致数据错位。例如，发送0x1234时，若按两个字节写入（先0x12后0x34），实际发送的可能是0x3412。必须确保数据写入宽度与DFF配置一致。
4.4 SPI通信时序关键参数
在实际驱动开发中，除了模式和数据帧格式外，还需关注以下时序参数：
- SCK频率：由主设备时钟分频得到，需满足从设备的最大SCK频率要求。
- 片选建立时间（tNSS-SCK）：NSS拉低到第一个SCK边沿之间的最小延迟。
- 片选保持时间（tSCK-NSS）：最后一个SCK边沿到NSS拉高之间的最小延迟。
- 数据建立时间（tSU）：数据在采样边沿之前必须保持稳定的最小时间。
- 数据保持时间（tHD）：数据在采样边沿之后必须保持稳定的最小时间。
驱动开发要点： 在配置SPI时钟树时，SCK频率不应超过从设备数据手册中规定的最大值。对于高速SPI（如10 MHz以上），PCB走线长度和信号完整性也会影响时序裕量。DMA传输可以显著降低CPU干预，但需确保DMA传输速率与SPI波特率匹配，避免FIFO溢出或欠载。