SPI（Serial Peripheral Interface）详解

一、SPI 概述

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，由摩托罗拉公司开发，广泛应用于嵌入式系统中连接微控制器与外围设备（如传感器、存储器、显示模块等）。SPI 以其高速、全双工、简单硬件实现的特点而著称。

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二、物理连接

SPI 通常使用4 根信号线（有时可简化）：

信号线	全称	说明
SCK	Serial Clock	时钟信号，由主机产生
MOSI	Master Out Slave In	主机发送，从机接收
MISO	Master In Slave Out	主机接收，从机发送
CS/SS	Chip Select / Slave Select	片选信号，由主机控制，低电平有效

🔹 注意：SPI 是主从架构，支持一主多从（每个从机需一个独立的 CS 线）。

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三、通信时序与模式

1.通信时序

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2.一主对多从的连接方式

2.1 多NSS

• 原理：每个从设备都有独立的CS线，主机通过拉低相应从设备的CS线来选中该设备进行通信。
• 优点：
  • 控制简单：主机可以直接通过控制相应从设备的CS线来选择通信对象，无需复杂的协议或地址识别。
  • 并行操作：可以同时选中多个从设备，实现并行操作，提高通信效率。
  • 通用性强：适用于大多数支持SPI协议的从设备，无需对设备进行特殊配置。
• 缺点：
  • 占用IO口多：每增加一个从设备，就需要占用一个额外的CS线，对于IO口资源有限的主机设备，可能会造成资源紧张。
  • 布线复杂：随着从设备数量的增加，布线的复杂度也会相应提高。

2.2 菊花链

• 原理：将多个从设备串联起来，主机通过控制一个公共的CS线，将数据依次传输给各个从设备。
• 优点：
  • 节省IO口：只需要一个CS线即可控制多个从设备，大大节省了主机的IO口资源。
  • 布线简单：从设备之间的连接简单，只需将数据线依次连接即可。
• 缺点：
  • 控制复杂：需要在数据中包含地址或命令来指定通信的从设备，增加了通信协议的复杂性。
  • 速度受限：由于数据需要依次传输给各个从设备，通信速度会受到一定影响，不适用于对实时性要求较高的场景。
  • 可靠性低：如果某个从设备出现故障，可能会影响整个通信链路的正常工作。

两种方式对比：

特性	独立片选	菊花链
控制方式	主机通过独立的CS线控制每个从设备	主机通过一个公共的CS线控制所有从设备，数据依次传输给各个从设备
IO口占用	每增加一个从设备占用一个额外的CS线	只需要一个CS线
布线复杂度	随着从设备数量增加而提高	从设备之间连接简单
通信效率	可以并行操作多个从设备，效率较高	数据依次传输，效率相对较低
通用性	适用于大多数SPI从设备	需要从设备支持菊花链模式
可靠性	单个从设备故障不影响其他设备	一个从设备故障可能影响整个链路

SPI 的通信时序由时钟极性（CPOL） 和时钟相位（CPHA） 两个参数决定，组合成四种模式：

模式	CPOL	CPHA	说明
0	0	0	时钟空闲为低，数据在第一个边沿采样
1	0	1	时钟空闲为低，数据在第二个边沿采样
2	1	0	时钟空闲为高，数据在第一个边沿采样
3	1	1	时钟空闲为高，数据在第二个边沿采样

🔹 常用模式为 Mode 0 和 Mode 3。

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四、数据帧格式

SPI 没有固定的数据帧格式，数据长度通常为 8 位或 16 位，也可配置为其他长度（如 12 位）。数据传输是全双工的，即主机在发送数据的同时也在接收数据。

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五、通信流程（以 8 位数据为例）

1. 主机拉低对应从机的 CS 信号，选中从机。
2. 主机产生时钟信号 SCK，按照设定的模式（CPOL/CPHA）输出时钟。
3. 主机通过 MOSI 发送数据位，同时从机通过 MISO 返回数据。
4. 数据传输完成后，主机拉高 CS，结束通信。

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六、配置参数（主机需与从设备一致）

参数	说明
时钟频率	SCK 的频率，通常可配置
数据位长度	每次传输的数据位数（如 8 bits）
时钟模式	CPOL 和 CPHA 的组合（模式 0~3）
字节序	MSB First 或 LSB First

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七、优缺点对比

优点	缺点
全双工高速通信	需要较多引脚（每从机需一个 CS）
硬件实现简单，无需波特率	无硬件错误检测机制
支持多从机	通信距离短（板级或短距离通信）
时钟频率灵活可调	无标准协议，依赖设备手册

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八、实际应用示例

• MCU ↔ Flash 存储器（如 W25Q64）
• MCU ↔ 显示屏（如 OLED、TFT）
• MCU ↔ 传感器（如 IMU、温度传感器）
• MCU ↔ 音频编解码器（如 VS1053）

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九、SPI 变种与扩展

• Dual SPI / Quad SPI：使用更多数据线提高传输速率。
• QSPI：用于 Flash 存储器，支持四线模式。
• 3-Wire SPI：半双工模式，共用数据线。

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十、嵌入式面试常见问题（SPI 部分）

1. SPI 和 I2C 的区别？

特性	SPI	I2C
线路数量	4 线（+每从机一条 CS）	2 线（SDA, SCL）
通信方式	全双工	半双工
速度	高（可达几十 MHz）	中低速（通常 ≤ 400 kHz）
硬件复杂度	简单	较复杂（需上拉电阻）
多从机支持	每个从机需一个 CS	地址寻址，支持多从机

2. SPI 的四种模式如何选择？

• 根据从设备的数据手册选择对应的 CPOL 和 CPHA。
• 常见设备如 Flash 多用 Mode 0 或 Mode 3。

3. 如何实现 SPI 多从机通信？

• 每个从机使用一个独立的 CS 引脚。
• 主机通过拉低对应从机的 CS 来选中设备。

4. SPI 最高速度受什么限制？

• 主机 SCK 输出能力。
• 从设备最大支持频率。
• PCB 布线长度和信号完整性。

5. 如何用 GPIO 模拟 SPI？

• 可用任意 GPIO 模拟 SCK、MOSI、MISO、CS。
• 需软件控制时序，适用于低速或调试场景。

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十一、代码示例（STM32 HAL 库）

// SPI 初始化配置
SPI_HandleTypeDef hspi;

hspi.Instance = SPI1;
hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // CPOL = 0
hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;     // CPHA = 0
hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
HAL_SPI_Init(&hspi);

// 发送并接收一字节数据
uint8_t tx_data = 0xA5;
uint8_t rx_data;
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, &tx_data, &rx_data, 1, HAL_MAX_DELAY);

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十二、总结（一句话记忆）

SPI 是“四线同步、全双工、主从式”的串行通信协议，通过 SCK、MOSI、MISO 和 CS 线实现高速设备间通信，需配置时钟模式、频率和数据位长度。