SPI 通信协议的基本概念和工作模式
2025-07-31 09:08:35
晨欣小编
在嵌入式系统和微控制器应用中，通信协议是不同芯片之间数据交互的基础。SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种常用的同步串行通信协议，凭借其高速、全双工、结构简单的特点，广泛应用于MCU与外设（如Flash、AD/DA转换器、传感器、显示器等）之间的通信。
本文将系统阐述 SPI 协议的基本概念、信号线构成、工作原理、常见的通信模式及其优缺点，帮助读者全面理解该协议的核心机制，并为实际项目中的协议选型和调试提供理论依据。
二、SPI 的基本概念
SPI 协议由 Motorola 在上世纪80年代提出，是一种主从式、同步通信协议，具有以下基本特征：
全双工通信：可以同时进行发送和接收；
主从架构：通信总线上有一个主设备（Master）控制时钟，其余为从设备（Slave）；
高速传输：比 I2C 更快，适合对速度有要求的应用场合；
硬件简单：无复杂握手机制，适合短距离设备间通信。
应用实例：
MCU 与 EEPROM 通信；
Raspberry Pi 控制 OLED 显示屏；
STM32 与温度传感器、AD模块之间的数据采集。
三、SPI 接口的基本信号线
典型 SPI 通信至少需要 4 条信号线：
| 信号线 | 全称 | 功能说明 |
|---|---|---|
| SCLK | Serial Clock | 串行时钟线，由主设备提供时钟信号 |
| MOSI | Master Out Slave In | 主设备输出，从设备输入的数据线 |
| MISO | Master In Slave Out | 主设备输入，从设备输出的数据线 |
| SS/CS | Slave Select / Chip Select | 从设备使能线，低电平有效，主控用来选择特定从设备 |
四、SPI 的工作原理
SPI 通信依赖于主设备提供的 SCLK 时钟信号进行同步传输，数据以位为单位，按照时钟的上升沿或下降沿进行采样与传输。通信过程如下：
主机拉低目标从机的 CS 线；
主机发送数据至 MOSI 线，同时读取 MISO 上的返回数据；
从机在 SCLK 控制下同步接收并回应数据；
通信完成后主机释放 CS（拉高）终止此次通信。
这种设计使 SPI 具有以下优点：
实现简单，效率高；
传输速率可自由调节；
支持全双工操作。
五、SPI 的四种通信模式（CPOL 与 CPHA）
SPI 的工作模式由两个参数定义：
CPOL（Clock Polarity）：时钟极性，决定空闲状态下的 SCLK 电平（0 = 低，1 = 高）；
CPHA（Clock Phase）：时钟相位，决定数据在时钟的哪个边沿采样（0 = 第一个边沿，1 = 第二个边沿）。
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲时钟电平 | 采样时钟边沿 |
|---|---|---|---|---|
| 模式 0 | 0 | 0 | 低电平 | 第一个上升沿采样 |
| 模式 1 | 0 | 1 | 低电平 | 第二个下降沿采样 |
| 模式 2 | 1 | 0 | 高电平 | 第一个下降沿采样 |
| 模式 3 | 1 | 1 | 高电平 | 第二个上升沿采样 |
主从两端的模式必须一致；
常见芯片（如 Flash）说明书中会明确指定使用哪种 SPI 模式；
调试时常因 CPOL/CPHA 配置不匹配导致通信失败。
六、SPI 与其他通信协议对比
| 协议 | 接口引脚 | 通信速率 | 是否支持多主 | 是否支持多个从设备 | 是否需要地址管理 | 是否全双工 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SPI | ≥4 | 高（10+ Mbps） | 否 | 是（多个 CS 控制） | 否 | 是 |
| I2C | 2 | 中（400kbps~1Mbps） | 是 | 是（地址唯一标识） | 是 | 否 |
| UART | 2 | 中（几百Kbps~几Mbps） | 否 | 否（点对点） | 否 | 是 |
SPI 适合高速、结构明确的通信；
I2C 更适合多设备、低速、远距离通信场合；
UART 则更常用于点对点长距离通信或串口调试。
七、SPI 的优点与局限
✅ 优点：
通信速度快（可达几十 Mbps）；
全双工传输；
协议简单，易于实现；
多个从设备可共用一组数据线；
低资源占用，常见 MCU 均支持。
❌ 缺点：
不支持多主模式；
需要额外的 CS 引脚控制多个从设备，扩展性差；
没有规定的通信标准帧格式，不适合远距离通信；
没有像 I2C 那样的应答机制，不利于错误检测。
八、典型应用场景
MCU 与 SPI Flash、EEPROM 之间的数据存储；
传感器模块（如温湿度、陀螺仪）通信；
TFT 显示屏控制；
音频 DAC、ADC 模块；
FPGA 与外围 SPI 器件交互。
SPI 在 STM32、Arduino、ESP32、Raspberry Pi 等平台上均有原生支持，且有丰富的驱动库和示例代码，便于快速开发。
九、实际开发中的注意事项
波特率配置：根据芯片手册确定从设备能支持的最高频率；
CPOL/CPHA 设置：通信失败常见原因，需与设备手册对照配置；
CS 控制逻辑：主机需确保每次通信前先拉低对应的 CS 引脚；
多设备干扰：注意总线长度、电平匹配、电磁兼容设计；
软件模拟 SPI（Bit-bang）：当硬件 SPI 被占用，可用 GPIO 模拟实现。
十、结语
SPI 协议作为一种结构简洁、速率高效、易于实现的通信方式，在嵌入式系统中具有不可替代的作用。虽然其在多设备管理与通信可靠性方面存在一定限制，但在短距离、点对点高速通信场景中仍是优选方案。
掌握 SPI 的基本原理与工作模式，是每一位嵌入式开发工程师的必备技能。
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