SPI四种工作模式

以下是 SPI四种模式 的详细对比与配置指南，结合STM32硬件特性，以表格和时序图清晰展示差异：

SPI四种模式核心对比表

模式	CPOL	CPHA	空闲时钟电平	数据采样边沿	数据切换边沿	典型应用场景
Mode 0	0	0	低电平	上升沿（第一个边沿）	下降沿（第二个边沿）	大多数传感器（如BME280）
Mode 1	0	1	低电平	下降沿（第二个边沿）	上升沿（第一个边沿）	部分ADC芯片（如MCP3008）
Mode 2	1	0	高电平	下降沿（第一个边沿）	上升沿（第二个边沿）	少数EEPROM（如93LCxx）
Mode 3	1	1	高电平	上升沿（第二个边沿）	下降沿（第一个边沿）	SD卡（SPI模式）、RFID

时序图解析

模式选择与配置要点

1. 如何选择模式？

查阅从设备手册：优先确认从设备支持的SPI模式（如BME280传感器强制要求Mode 0）。
默认推荐 ：无特殊要求时选择 Mode 0 （最通用）或 Mode 3（SD卡常用）。

2. STM32硬件SPI配置示例

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// 以Mode 0为例配置SPI1（STM32标准库）
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct = {
    .SPI_Mode              = SPI_Mode_Master,     // 主模式
    .SPI_Direction         = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex, // 全双工
    .SPI_DataSize          = SPI_DataSize_8b,     // 8位数据
    .SPI_CPOL              = SPI_CPOL_Low,        // CPOL=0 (Mode 0/1)
    .SPI_CPHA              = SPI_CPHA_1Edge,      // CPHA=0 (Mode 0)
    .SPI_NSS               = SPI_NSS_Soft,         // 软件控制片选
    .SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8, // 分频系数
    .SPI_FirstBit          = SPI_FirstBit_MSB     // 高位先行
};
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

3. 软件模拟SPI的关键差异

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// Mode 0 vs Mode 3的GPIO初始化差异（关键部分）
if (mode == 0) {
    // CLK初始低电平（CPOL=0）
    GPIO_ResetBits(SPI_CLK_PORT, SPI_CLK_PIN);
} else if (mode == 3) {
    // CLK初始高电平（CPOL=1）
    GPIO_SetBits(SPI_CLK_PORT, SPI_CLK_PIN);
}

// 数据采样边延选择
if (mode == 0 || mode == 3) {
    // CPHA=0: 第一个边沿采样 | CPHA=1: 第二个边沿采样
}

各模式下的通信流程

Mode 0 数据收发流程

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void SPI_Mode0_SendByte(uint8_t data) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        // 下降沿切换数据
        if (data & 0x80) MOSI_HIGH();
        else MOSI_LOW();
        data <<= 1;
        
        // 上升沿采样（从设备读取）
        SCLK_HIGH();
        delay_ns(50);  // 保持稳定
        SCLK_LOW();
    }
}

Mode 3 数据收发流程

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void SPI_Mode3_SendByte(uint8_t data) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        // 上升沿切换数据
        SCLK_HIGH();
        if (data & 0x80) MOSI_HIGH();
        else MOSI_LOW();
        data <<= 1;
        
        // 下降沿采样（从设备读取）
        SCLK_LOW();
        delay_ns(50);
    }
}

常见问题解答

Q1：如何判断设备使用哪种模式？

方法1：查阅从设备数据手册的"SPI Timing Diagram"部分。
方法2：用逻辑分析仪捕获实际通信波形，观察SCLK空闲电平和采样边沿。

Q2：模式配置错误会怎样？

现象：数据错位、通信失败（如读取的传感器数据全为0xFF或0x00）。
解决方案：检查主从设备的CPOL/CPHA是否匹配。

Q3：为什么SD卡常用Mode 3？

原因：SD卡规范要求SPI模式为CPOL=1, CPHA=1（Mode 3），确保在时钟下降沿切换数据时，上升沿能稳定采样。

总结

模式0 和模式3是最常用的两种模式，覆盖90%的应用场景。
关键区别在于时钟空闲状态（CPOL）和数据采样时刻（CPHA）。
在STM32中，硬件SPI可通过SPI_CPOL和SPI_CPHA参数快速配置，软件模拟SPI需严格遵循时序。