4、SPI通信协议详解：SPI四线制（SCK/MOSI/MISO/CS）、四种模式（CPOL/CPHA）、多从机级联与菊花链

各位同学好，我是老张。今天咱们来聊聊SPI这个协议。说实话，SPI是我在嵌入式开发中用得最多的串行接口之一，比I2C简单直接，比UART灵活。很多压传感器、ADC、显示屏都爱用它。我个人习惯是，只要从机数量不多、距离不远，首选SPI。

SPI全称是Serial Peripheral Interface，摩托罗拉公司搞出来的。它是个同步、全双工的通信协议。什么叫同步？就是有专门的时钟线来同步数据。全双工呢？就是可以同时收发数据。嗯，这一点比I2C和UART都强。

4.1 SPI四线制：SCK、MOSI、MISO、CS

标准的SPI有四根线，少一根都不行（除非你搞特殊）。咱们一个一个说：

• SCK（Serial Clock）：时钟线，由主机产生。说白了就是心跳，数据跟着它跳。
• MOSI（Master Out Slave In）：主机输出，从机输入。数据从主机流向从机。
• MISO（Master In Slave Out）：主机输入，从机输出。数据从从机流回主机。
• CS（Chip Select）：片选线，低电平有效。主机拉低哪个从机的CS，就跟哪个从机说话。

我在项目中遇到过一个问题：有个同事把MOSI和MISO接反了，结果调了一整天没通。你想想看，数据发出去收不回来，能不头疼吗？所以布线时一定要仔细核对。

4.2 四种模式：CPOL和CPHA

SPI有四种工作模式，由两个参数决定：CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）。

CPOL：决定时钟空闲时的电平。

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

CPHA：决定数据在哪个时钟沿采样。

• CPHA=0：第一个时钟沿采样（上升沿或下降沿取决于CPOL）
• CPHA=1：第二个时钟沿采样

组合起来就是四种模式：

模式	CPOL	CPHA	采样沿	数据变化沿
模式0	0	0	上升沿	下降沿
模式1	0	1	下降沿	上升沿
模式2	1	0	下降沿	上升沿
模式3	1	1	上升沿	下降沿

我曾经踩过一个坑：某款压传感器手册上写的是模式0，但我用模式1也能通信，就是数据偶尔错位。后来用示波器一看，原来是时序差了一个沿。所以一定要严格按照手册来，别想当然。

4.3 多从机连接方式

当你有多个从机时，有两种连接方式：独立片选和菊花链。

4.3.1 独立片选（标准方式）

每个从机单独一根CS线，主机有多少个GPIO就能带多少个从机。这种方式最简单，也最常用。我做的压传感器采集板，一个MCU带了4个传感器，就是用的独立片选。

// 伪代码示例：独立片选方式
void spi_write_read(uint8_t cs_pin, uint8_t *tx_data, uint8_t *rx_data, uint16_t len) {
    GPIO_Reset(cs_pin);  // 拉低片选
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        while(!SPI_IsTxEmpty());  // 等待发送缓冲区空
        SPI_SendData(tx_data[i]); // 发送一个字节
        while(!SPI_IsRxNotEmpty()); // 等待接收数据
        rx_data[i] = SPI_ReceiveData(); // 读取接收数据
    }
    GPIO_Set(cs_pin);  // 拉高片选
}

4.3.2 菊花链（Daisy Chain）

菊花链就有点意思了。所有从机共享SCK和CS，但数据线是串联的。主机的MOSI接第一个从机的SI，第一个从机的SO接第二个从机的SI，以此类推。最后一个从机的SO接主机的MISO。

为什么要用菊花链？因为有些场景下GPIO不够用，或者布线空间有限。但代价是延迟增加了——数据要经过每个从机才能到达主机。

4.4 知识体系总览

下面我用一张图来总结SPI的核心知识点，方便你理解整体结构：

4.5 避坑指南

做SPI驱动这么多年，我总结了几条血泪教训：

• 片选时序要留余量：拉低CS后，别急着发数据，等几个微秒。有些从机反应慢，你发太快它还没准备好。
• 时钟频率别太高：理论值归理论值，实际布线有寄生电容，频率高了波形就变形了。我一般留50%的余量。
• MISO要加上拉：如果从机是三态输出，CS没选中时MISO是高阻态。不加个上拉电阻，主机可能读到不确定的电平。
• 注意字节顺序：有的芯片是MSB first，有的是LSB first。搞反了数据全乱套。

好了，SPI协议的核心内容就这些。四线制、四种模式、多从机连接，这三个点搞明白了，SPI驱动就没什么大问题了。下一节咱们会结合具体的压传感器芯片，手把手写一个完整的SPI驱动代码。

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