1. 什么是 SPI？

SPI (Serial Peripheral Interface) 是一种同步串行通信接口规范，主要用于微控制器（MCU/SoC）与各种外围设备（如传感器、Flash 存储器、RTC、ADC/DAC、显示屏等）之间的短距离通信。

它由摩托罗拉（Motorola）在 1980 年代中期开发，现已成为事实上的工业标准。

2. 接口信号

标准的 SPI 总线通常使用 4 条信号线：

1. SCLK (Serial Clock)：时钟信号，由主设备（Master）产生。
2. MOSI (Master Out Slave In)：主设备输出，从设备输入数据线。
3. MISO (Master In Slave Out)：主设备输入，从设备输出数据线。
4. CS / SS (Chip Select / Slave Select)：片选信号，通常由主设备控制，低电平有效。用于选择与之通信的从设备。

注：在某些文档中，MOSI 可能被称为 SDO (Serial Data Out)，MISO 被称为 SDI (Serial Data In)，具体取决于设备的角色。

3. 通信特点

• 主从模式 (Master-Slave)：总线上有一个主设备和从设备。主设备控制时钟（SCLK）和片选（CS）。
• 同步通信：数据传输与时钟信号同步。
• 全双工 (Full Duplex)：数据可以在两个方向上同时传输。在每个时钟周期，主设备发送一位数据，同时接收一位数据。
• 总线拓扑：
  • 独立片选：每个从设备有独立的 CS 线。主设备拉低特定从设备的 CS 线来选择它。
  • 菊花链 (Daisy Chain)：较少见，设备级联。

4. 时钟极性和相位 (CPOL & CPHA)

SPI 定义了 4 种工作模式，由 时钟极性 (CPOL) 和 时钟相位 (CPHA) 决定。主从设备必须工作在相同的模式下才能正常通信。

• CPOL (Clock Polarity)：决定空闲状态时的时钟电平。
  • CPOL=0：空闲时 SCLK 为低电平。
  • CPOL=1：空闲时 SCLK 为高电平。
• CPHA (Clock Phase)：决定数据在哪个时钟沿采样。
  • CPHA=0：在第 1 个跳变沿（前沿）采样数据，在第 2 个跳变沿（后沿）更改数据。
  • CPHA=1：在第 1 个跳变沿（前沿）更改数据，在第 2 个跳变沿（后沿）采样数据。

四种模式总结：

模式	CPOL	CPHA	描述
Mode 0	0	0	空闲低电平，上升沿采样，下降沿切换
Mode 1	0	1	空闲低电平，上升沿切换，下降沿采样
Mode 2	1	0	空闲高电平，下降沿采样，上升沿切换
Mode 3	1	1	空闲高电平，下降沿切换，上升沿采样

Mode 0 和 Mode 3 是最常用的模式。

5. 数据传输时序

以 Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0) 为例：

1. CS 拉低：主设备将目标从设备的 CS 线拉低，选中该设备。
2. SCLK 产生：主设备开始产生时钟信号。
3. 数据传输：
   • 在 SCLK 的上升沿，主设备读取 MISO 上的数据，从设备读取 MOSI 上的数据（采样）。
   • 在 SCLK 的下降沿，主设备和从设备更新各自的数据输出（切换）。
4. CS 拉高：传输结束后，主设备将 CS 线拉高，结束通信。

6. 优缺点

• 优点：

  • 全双工通信，速度快（可达数十 MHz）。
  • 协议简单，硬件实现容易（移位寄存器）。
  • 没有复杂的寻址机制，通过片选线物理选择设备。
  • 数据位宽灵活（通常 8 位，但也可以是 12、16 位等）。

• 缺点：

  • 占用引脚多（每个从设备需要一根额外的 CS 线）。
  • 没有标准的流控和应答机制（ACK），无法确认数据是否被正确接收。
  • 通常仅限于短距离板级通信。

7. Linux 中的 SPI

在 Linux 内核中，SPI 子系统负责管理 SPI 控制器和设备。

• SPI Controller Driver：驱动 SoC 上的 SPI 控制器硬件。
• SPI Device Driver：驱动连接在 SPI 总线上的具体外设（如屏幕、传感器）。
• SPI Core：提供通用的 API 和框架，连接控制器驱动和设备驱动。