4. SPI协议基础：SPI四线制、时钟极性/相位、数据帧格式、多从机连接

大家好，我是你们的嵌入式讲师。今天咱们来聊聊SPI，这个在传感器世界里出镜率极高的接口协议。

说实话，SPI这玩意儿，看着简单，但坑不少。我最早接触SPI是在一个加速度计项目上，当时读数据老是错位，折腾了两天才发现是时钟相位没配对。嗯，从那以后，我对SPI的每个细节都不敢马虎了。

4.1 SPI四线制：到底哪四根线？

SPI全称是Serial Peripheral Interface，串行外设接口。它最经典的就是四线制。你想想看，就四根线，却能实现全双工通信，效率很高。

这四根线分别是：

• SCLK（Serial Clock）：串行时钟，由主机产生。说白了，这根线就是心跳，决定了数据传输的节奏。
• 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。数据从从机流向主机。
• SS（Slave Select）：从机选择线，也叫片选线。低电平有效，用来选中你要通信的那个从机。

我个人习惯把SS叫做“点名线”。你拉低哪根SS，就是在跟哪个从机说话。其他从机呢？乖乖闭嘴听着就行。

4.2 时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）

这部分是SPI最容易出问题的地方。我见过太多工程师在这里翻车了。

时钟极性（CPOL），决定了SCLK空闲时的电平状态：

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

时钟相位（CPHA），决定了数据在哪个时钟边沿被采样：

• CPHA = 0：在第一个时钟边沿（上升沿或下降沿）采样数据
• CPHA = 1：在第二个时钟边沿采样数据

组合起来，就是四种模式：

模式	CPOL	CPHA	采样边沿	空闲时钟电平
模式0	0	0	上升沿采样	低电平
模式1	0	1	下降沿采样	低电平
模式2	1	0	下降沿采样	高电平
模式3	1	1	上升沿采样	高电平

4.3 数据帧格式

SPI的数据帧格式，说白了就是数据怎么组织、怎么传输的。

数据位宽：最常见的是8位，也就是一个字节。但有些传感器支持16位甚至32位。比如一些高精度ADC，一次传输就是24位数据。

数据顺序：大多数SPI设备采用MSB First（最高位在前）。但也有少数设备用LSB First。这个在手册里一般会明确写出来。

典型的SPI读写操作：

以读取一个寄存器为例，通常分两步：

1. 主机发送寄存器地址（写操作），同时从机返回无效数据
2. 主机发送任意数据（通常是0x00或0xFF），同时从机返回寄存器内容

看个代码示例，用STM32的HAL库读取一个传感器：

// 读取传感器寄存器0x10的值
uint8_t reg_addr = 0x10;
uint8_t rx_data = 0;

// 第一步：发送地址
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);  // 拉低片选
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &reg_addr, 1, 100);              // 发送地址

// 第二步：读取数据
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &dummy, &rx_data, 1, 100); // 发送dummy，接收数据
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);    // 拉高片选

4.4 多从机连接方式

一个SPI主机可以连接多个从机。怎么连？主要有两种方式。

方式一：独立片选（最常用）

每个从机都有自己的SS引脚。主机有多少个从机，就需要多少个GPIO口来控制片选。

优点：简单、可靠，从机之间互不干扰。
缺点：占用GPIO口多。

方式二：菊花链连接

所有从机共用SCLK、MOSI、MISO，但数据像串糖葫芦一样，从一个从机传到下一个从机。

这种方式不常用，主要用在一些特殊的应用场景，比如多个移位寄存器级联。普通传感器很少用菊花链。

我个人强烈建议：能用独立片选就别用菊花链。菊花链的时序要求高，调试起来很麻烦。

4.5 避坑指南

最后，分享几个我踩过的坑：

• 片选时序：有些传感器要求在发送数据前，片选拉低后要等一小段时间（比如几微秒）才能开始发时钟。这个在手册里叫CS Setup Time。我遇到过不等的，数据死活读不对。
• 时钟频率：别一上来就上最高速。先用手册推荐的速度，调通了再慢慢往上加。我见过有人用10MHz去读一个只支持1MHz的传感器，结果可想而知。
• MISO上拉/下拉：如果从机MISO是三态输出，建议在MISO线上加一个弱上拉或下拉电阻，防止浮空时误触发。
• 电平匹配：主机是3.3V，从机是5V？别忘了加电平转换。直接连的话，轻则读不到数据，重则烧芯片。

好了，SPI协议的基础就讲到这里。下一节我们会深入SPI的高级应用，包括DMA传输、双线模式等。有什么问题，欢迎在课后交流。