SPI总线

30秒速通SPI协议：从四根线到完整时序

配套视频已发布，用动画演示了SPI的核心机制，建议结合观看。

SPI是什么

SPI（Serial Peripheral Interface）是摩托罗拉在上世纪80年代提出的一种同步串行通信协议。它的核心特点是全双工、高速、硬件简单，广泛用于芯片间短距离通信。

和I2C相比，SPI没有复杂的地址机制和应答协议，通信效率更高，代价是多占几根引脚。

四线制

SPI总线由四根信号线组成：

信号	方向	作用
MOSI	Master → Slave	主机发送数据
MISO	Slave → Master	从机返回数据
SCK	Master → Slave	时钟，由主机产生
CS	Master → Slave	片选，低电平有效

关键点：MOSI和MISO同时工作，每个时钟沿主机发出一位的同时也收到一位，这就是全双工。

时钟模式：CPOL与CPHA

SPI有四种时钟模式，由两个参数决定：

• CPOL（Clock Polarity）：时钟空闲时的电平。0=空闲低，1=空闲高。
• CPHA（Clock Phase）：数据采样的时钟沿。0=第一个沿采样，1=第二个沿采样。

Mode	CPOL	CPHA	说明
0	0	0	空闲低，上升沿采样
1	0	1	空闲低，下降沿采样
2	1	0	空闲高，下降沿采样
3	1	1	空闲高，上升沿采样

实际使用中，Mode 0最常见。主从双方必须配置相同的模式，否则数据错位。

数据传输：移位寄存器

SPI的数据交换本质上是两个移位寄存器的环形连接：

1. 主机移位寄存器的MSB通过MOSI移出，进入从机移位寄存器的LSB
2. 从机移位寄存器的MSB通过MISO移出，进入主机移位寄存器的LSB
3. 8个时钟脉冲后，双方寄存器内容完成交换

举例：主机发送0xA5（10100101），从机发送0x3C（00111100）。8个时钟后，主机寄存器变成0x3C，从机寄存器变成0xA5。

发送即接收——即使你只想读从机数据，也必须发送（通常发0x00或0xFF作为dummy byte）。

片选机制

当主机连接多个从机时，每个从机需要独立的CS线：

• CS拉低 = 选中该从机
• CS拉高 = 从机忽略总线上的所有信号
• 同一时刻只能选中一个从机

这意味着N个从机需要N条CS线，引脚消耗随从机数量线性增长。这是SPI相比I2C的主要劣势之一。

完整传输时序

一次标准SPI字节传输的流程：

1. 主机拉低CS，选中目标从机
2. 主机产生8个SCK时钟脉冲
3. 每个时钟沿，MOSI输出一位，MISO输入一位
4. 8个时钟后，一字节交换完成
5. 主机拉高CS，释放从机

多字节传输时，CS保，连续发送多个8-clock周期即可。

SPI vs I2C

特性	SPI	I2C
双工	全双工	半双工
速度	通常10-100MHz	标准100/400kHz，快速3.4MHz
引脚	4+N（N=从机数）	2（SDA+SCL）
寻址	硬件CS线	7/10位地址
应答	无	有ACK/NACK
复杂度	低	中等

选型建议：

• 需要高速传输（Flash、显示屏、ADC）→ SPI
• 引脚紧张、从机多、速度要求不高（传感器、EEPROM）→ I2C
• 两者都能用时，看数据手册支持哪个，以及板子还剩几个引脚

常见应用

• Flash存储：W25Q系列，SPI接口，读取速度可达100MHz+
• OLED/TFT屏幕：SSD1306、ST7789等驱动IC
• ADC/DAC：高精度模数转换器
• 无线模块：nRF24L01、CC1101
• SD卡：SD卡的SPI模式，嵌入式中很常用

小结

SPI协议的核心就三

1. 四根线，全双工，时钟同步
2. 移位寄存器交换数据，发送即接收
3. CS选中谁，谁才响应

协议本身没有规定数据帧格式、校验机制或流控——这些全靠上层自己定义。简单粗暴，但够快够直接。