🔥作者简介： 一个平凡而乐于分享的小比特，中南民族大学通信工程专业研究生，研究方向无线联邦学习
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✨收录专栏：通信协议，本专栏为记录项目中用到的知识点，以及一些硬件常识总结
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SPI通信协议全面详解
一、SPI协议简介
1.1 什么是SPI协议？
想象一下两个朋友要通过纸条传递信息，但需要确保信息传递的顺序和时机完全同步。SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口） 就像这样一套精密的"同步传纸条系统"，专门用于电子芯片之间高速、可靠的数据交换。
SPI的四大核心特征：
1.2 SPI的"四人工作组"
SPI通信最少需要4条线，就像一个有明确分工的四人工作组：
┌─────────────────┐ SPI通信工作组 ┌─────────────────┐
│ 主设备（队长） │ │ 从设备（队员） │
│ │ │ │
│ 🟢 MOSI 输出 │───────────▶ 🟢 数据接收 │ |
│ │ （主说，从听） │ │
│ │ │ │
│ 🟡 MISO 输入 │◀────────── 🟡 数据发送 │ |
│ │ （从说，主听） │ │
│ │ │ │
│ 🔵 SCK 指挥 │───────────▶ 🔵 节奏跟随 │ |
│ │ （统一节奏） │ │
│ │ │ │
│ 🔴 SS 点名 │───────────▶ 🔴 被点名 │ |
│ │ （选择对话者） │ │
└─────────────────┘ └─────────────────┘各线路详细功能表：
| 线路名称 | 全称 | 方向 | 功能 | 类比 |
|---|---|---|---|---|
| MOSI | Master Out Slave In | 主→从 | 主设备发送数据给从设备 | 队长的指令通道 |
| MISO | Master In Slave Out | 从→主 | 从设备发送数据给主设备 | 队员的汇报通道 |
| SCK | Serial Clock | 主→从 | 时钟信号，同步数据传输节奏 | 指挥的节拍器 |
| SS/CS | Slave Select/Chip Select | 主→从 | 选择要与哪个从设备通信 | 点名器 |
二、SPI总线传输模式
2.1 时钟的四种"舞蹈节奏"
SPI有四种不同的时钟配置，就像四种不同的舞蹈节奏。这些模式由两个参数决定：
- CPOL（Clock Polarity，时钟极性） ：时钟空闲时的状态
- 0 = 空闲时低电平（像休息时站着）
- 1 = 空闲时高电平（像休息时坐着）
- CPHA（Clock Phase，时钟相位） ：数据采样的时机
- 0 = 在时钟的第一个边沿采样
- 1 = 在时钟的第二个边沿采样
四种传输模式详解：
模式0（最常用）：CPOL=0, CPHA=0
空闲状态：低电平（站着休息）
动作时机：上升沿时说话，下降沿时准备
模式1：CPOL=0, CPHA=1
空闲状态：低电平（站着休息）
动作时机：下降沿时说话，上升沿时准备
模式2：CPOL=1, CPHA=0
空闲状态：高电平（坐着休息）
动作时机：下降沿时说话，上升沿时准备
模式3：CPOL=1, CPHA=1
空闲状态：高电平（坐着休息）
动作时机：上升沿时说话，下降沿时准备2.2 模式选择对照表
| 模式编号 | CPOL | CPHA | 空闲状态 | 数据采样边沿 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 模式0 | 0 | 0 | 低电平 | 时钟上升沿 | 大多数传感器、Flash存储器 |
| 模式1 | 0 | 1 | 低电平 | 时钟下降沿 | 部分EEPROM |
| 模式2 | 1 | 0 | 高电平 | 时钟下降沿 | 特殊外设 |
| 模式3 | 1 | 1 | 高电平 | 时钟上升沿 | 部分ADC/DAC芯片 |
重要提示 ：主设备和从设备必须使用相同的SPI模式，否则就像一个人按华尔兹节奏跳舞，另一个人按探戈节奏跳舞，完全无法配合！
2.3 数据传输的两种"说话顺序"
SPI支持两种数据传输顺序，就像两种不同的说话习惯：
方式一：MSB优先（最常用）
先说最重要的，再说次要的
字节：0xAB (二进制：10101011)
传输顺序：1→0→1→0→1→0→1→1
（先传最高位1010，再传低位1011）
方式二：LSB优先
先说最不重要的，再说重要的
字节：0xAB (二进制：10101011)
传输顺序：1→1→0→1→0→1→0→1
（先传最低位1011，再传高位1010）三、SPI总线数据交换
3.1 单次通信完整流程
让我们通过一个实际例子来看SPI通信的全过程：
场景：主设备（单片机）要读取从设备（温度传感器）的当前温度值
步骤1：点名选择
主设备将传感器的SS引脚拉低（从高电平变低电平）
作用：相当于说"温度传感器，现在和你对话"
步骤2：启动同步节奏
主设备开始产生SCK时钟信号
作用：设定双方对话的节奏速度
步骤3：发送请求指令
主设备通过MOSI发送：0x03（读取命令）
同时，传感器通过MISO发回无关数据（可能是0x00或上次数据）
作用：主说"我要读取数据"，从回答"听到了"（但不是真正的温度值）
步骤4：接收温度数据
主设备发送虚拟数据（如0x00）
同时，传感器通过MISO发送真实的温度数据（如0x1A表示26°C）
作用：主说"随便说点什么"，从回答"温度是26度"
步骤5：结束对话
主设备将SS引脚拉高
作用：说"对话结束"时序图展示：
SS ────\________________________/──────
↓ ↑
开始 结束
SCK ___ ___ ___ ___ ___ ___
| | | | | | | | | | | | ...
|___| |___| |___| |___| |___| |___|
MOSI |0|0| |0|0| |0|0| |0|1| |1|0| |...| 主→从
|（命令0x03） |（地址/虚拟数据）|
MISO |X|X| |X|X| |X|X| |0|0| |1|A| |...| 从→主
|（无意义） |（温度数据0x1A） |3.2 多从设备管理策略
当需要与多个设备通信时，SPI有两种连接方式：
方式一：独立片选（最常用） - 像多个专线电话
主设备（电话总机）
│
├─SS1────── 从设备1（温度传感器）
│
├─SS2────── 从设备2（湿度传感器）
│
├─SS3────── 从设备3（显示屏）
│
└─SS4────── 从设备4（存储器）
（所有设备共享MOSI、MISO、SCK）
工作方式：
- 主设备只拉低一个SS线，选中对应设备
- 其他设备处于"静音"状态
- 一次只与一个设备通信
方式二：菊花链连接 - 像传话游戏
text
主设备 ── MOSI ── 设备1 ── 设备2 ── 设备3
│ ▲ │
└─ MISO ◄────────┴───────────────┘
（所有设备共享SCK和SS）工作方式：
- 主设备发送的数据依次通过设备1→设备2→设备3
- 设备3的数据传回设备2，再传回设备1，最后到主设备
- 所有设备同时被选中，适合特定应用场景
3.3 数据帧格式详解
SPI的数据可以有不同的"包装规格"：
| 数据位宽 | 常见应用 | 传输时间（10MHz时钟） | 备注 |
|---|---|---|---|
| 8位 | 大多数传感器、通用IO | 0.8微秒 | 最常用，兼容性好 |
| 16位 | 音频数据、高精度ADC | 1.6微秒 | 一次传输更多数据 |
| 32位 | 图像处理、高速传输 | 3.2微秒 | 效率最高，但兼容性较差 |
3.4 时钟速率与分频
SPI的时钟速度就像音乐的BPM（每分钟节拍数），决定了数据传输的快慢：
主设备内部时钟：比如48MHz
通过分频设置不同的SPI速度：
分频系数 实际SPI时钟 适用场景
2 24MHz 高速Flash、显示屏
4 12MHz 快速ADC、DAC
8 6MHz 标准外设通信
16 3MHz 常规传感器
32 1.5MHz 长距离或噪声环境
64 750kHz 低速、高可靠性需求
128 375kHz 调试、初始测试速度选择原则：
- 从设备能力：不能超过从设备支持的最大速度
- 传输距离：距离越长，允许的速度越低
- 噪声环境：环境噪声大时需降低速度
- 电源稳定性：电源不稳定时降低速度
四、SPI典型应用场景
4.1 场景一：智能家居温湿度监控
系统组成：
主设备：ESP32单片机
从设备1：DHT22温湿度传感器（SPI模式0，1MHz）
从设备2：OLED显示屏（SPI模式0，10MHz）
从设备3：SD卡存储器（SPI模式0，20MHz）
工作流程：
1. 选中DHT22，读取温湿度数据
2. 选中OLED，显示当前数据
3. 选中SD卡，保存历史数据
4. 循环执行，每10秒一次4.2 场景二：数码相机图像存储
系统组成：
主设备：图像处理器
从设备1：CMOS图像传感器（高速SPI，50MHz）
从设备2：DDR图像缓存（超高速SPI，100MHz+）
从设备3：SD卡存储（中速SPI，25MHz）
数据传输流程：
1. 图像传感器通过SPI将原始图像传给处理器
2. 处理器处理后通过SPI存入DDR缓存
3. 压缩后通过SPI写入SD卡4.3 场景三：工业控制器
系统组成：
主设备：工业PLC
从设备1：模拟输入模块（SPI读取多路ADC）
从设备2：模拟输出模块（SPI控制多路DAC）
从设备3：数字IO扩展模块（SPI控制继电器）
从设备4：通讯模块（SPI配置以太网芯片）
同步控制：
所有模块共享同一SCK时钟
主设备快速轮询各模块，实现毫秒级控制响应五、SPI协议优缺点总结
优点：
| 优点 | 说明 | 实际益处 |
|---|---|---|
| 高速传输 | 通常10-100Mbps，比I²C快10-30倍 | 适合大数据量传输，如图像、音频 |
| 全双工通信 | 同时发送和接收 | 通信效率高，无等待时间 |
| 协议简单 | 无需复杂协议栈 | 硬件实现简单，软件开销小 |
| 无地址开销 | 硬件片选直接寻址 | 寻址速度快，无地址冲突 |
| 灵活性高 | 数据位宽、时钟可配置 | 适应不同设备需求 |
缺点：
| 缺点 | 说明 | 应对策略 |
|---|---|---|
| 引脚占用多 | 每个从设备需要独立片选线 | 使用IO扩展器或菊花链 |
| 无硬件应答 | 无法自动确认数据正确接收 | 软件添加校验机制（CRC、校验和） |
| 无多主支持 | 只能有一个主设备 | 设计时确保单主架构 |
| 传输距离短 | 通常限于板级或短距离 | 长距离需加驱动器或换其他协议 |
| 功耗较高 | 时钟持续运行 | 通信间隙关闭时钟 |
六、实际应用配置要点
6.1 配置检查清单
在配置SPI通信时，请按此清单逐项检查：
- 模式匹配：✅ 主从设备SPI模式相同
- 时钟速率：✅ 不超过从设备最大速率
- 数据顺序：✅ MSB/LSB设置一致
- 片选管理：✅ 通信前后正确控制SS
- 电平兼容：✅ 3.3V与5V设备间有电平转换
- 引脚分配：✅ MOSI、MISO、SCK正确连接
- 空闲状态：✅ 非通信时SS保持高电平
6.2 常见问题排查
| 问题现象 | 可能原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 完全无通信 | SS引脚未正确控制 | 确认SS在通信期间为低电平 |
| 数据错乱 | 主从模式不匹配 | 检查并统一CPOL和CPHA |
| 速度不稳定 | 时钟速率过高 | 降低分频系数，减慢时钟 |
| 只能收不能发 | MISO/MOSI接反 | 交换这两根线 |
| 偶尔通信失败 | 线缆过长或干扰 | 缩短距离，加屏蔽，降低速率 |
6.3 性能优化技巧
- 批量传输：尽量一次传输多个字节，减少SS切换开销
- 时钟优化：在不超速前提下使用最高允许时钟
- DMA支持：如果硬件支持，使用DMA传输减少CPU占用
- 中断驱动：使用中断而非轮询，提高系统效率
- 缓冲管理：合理设置发送和接收缓冲区大小
总结
SPI协议就像一个高效、精准的同步对话系统 ，通过四线制实现芯片间的高速数据交换。它的简单性 和高速性使其成为嵌入式系统中不可或缺的通信协议。
记住SPI的核心要点：
- 四线制：MOSI、MISO、SCK、SS
- 四模式：由CPOL和CPHA决定
- 主从架构：一主多从，硬件片选
- 全双工同步：同时收发，时钟同步
3 性能优化技巧
- 批量传输：尽量一次传输多个字节，减少SS切换开销
- 时钟优化：在不超速前提下使用最高允许时钟
- DMA支持：如果硬件支持，使用DMA传输减少CPU占用
- 中断驱动：使用中断而非轮询，提高系统效率
- 缓冲管理：合理设置发送和接收缓冲区大小
总结
SPI协议就像一个高效、精准的同步对话系统 ，通过四线制实现芯片间的高速数据交换。它的简单性 和高速性使其成为嵌入式系统中不可或缺的通信协议。
记住SPI的核心要点：
- 四线制：MOSI、MISO、SCK、SS
- 四模式：由CPOL和CPHA决定
- 主从架构：一主多从，硬件片选
- 全双工同步：同时收发，时钟同步
无论是读取传感器数据、驱动显示屏，还是与存储器交换信息，SPI都能提供可靠、高效的通信解决方案。只要正确配置参数，注意信号完整性，SPI就能成为您嵌入式项目中最得力的通信助手。