【驱动设计的硬件基础】SPI

你有没有想过，家里的智能手表是怎么把心率数据传给芯片的？智能音箱的麦克风阵列如何快速把声音信号传给处理单元？这些看似复杂的操作，背后可能藏着一个低调却强大的通信协议 ——SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）。

作为嵌入式领域最常用的通信总线之一，SPI 就像电子设备里的 "快递员"，能在芯片和传感器、存储芯片之间快速传递数据。今天咱们就聊聊这个 "小能手" 的硬件秘密。

一、SPI 到底是个啥？先从 "快递运输" 打个比方

想象一下你开了家快递公司，要给多个小区（从机）送快递（数据）。SPI 的工作模式就像这样：

• 有个总调度（主机）：通常是单片机（比如 STM32），负责安排什么时候发车、开多快；
• 四条关键道路：
  • SCK（时钟线）：相当于 "发车计时器"，每打一次铃（时钟边沿）就送一个快递；
  • MOSI（主机→从机车道）：主机往从机送快递的单向车道；
  • MISO（从机→主机车道）：从机往主机送快递的单向车道；
  • SS（小区门铃）：主机按哪个门铃（拉低哪根线），就给哪个小区送快递。

和常见的 I2C 总线相比，SPI 最大的特点是全双工——MOSI 和 MISO 能同时传数据，就像双向车道，效率更高。但代价是需要更多引脚（I2C 只需要两根线），所以适合 "短距离 + 高速" 的场景，比如传感器、FLASH 存储、LCD 驱动这些需要快速响应的设备。

1.1 SPI 的定义与特点​

SPI 是由摩托罗拉（Motorola）公司开发的一种全双工、同步串行通信总线，主要用于微控制器（如单片机）与外围设备之间的通信。它具有以下显著特点：​

• 高速数据传输：可以在较高的时钟频率下工作，实现快速的数据交换。​
• 简单的硬件结构：通常只需少数几根信号线，降低了硬件设计的复杂度和成本。​
• 全双工通信：允许主机与从机同时进行数据的发送和接收。​
• 主从架构：系统中包含一个主机（Master）和一个或多个从机（Slave），主机控制通信过程。​

1.2 SPI 的应用场景​

SPI 广泛应用于各种电子设备中，例如：​

• 存储设备：如 EEPROM、FLASH 等，用于存储数据。​
• 传感器：像温度传感器、加速度传感器等，获取外界环境数据。​
• 显示设备：如 LCD、OLED 的驱动芯片，实现图像的显示。​
• 外设扩展：如 ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）等，扩展微控制器的功能。

二、SPI 的硬件长啥样？四根线撑起一片天

要理解 SPI 的硬件，先记住四个关键信号，咱们一个一个拆解：

2.1 SCLK（时钟线）：通信的 "节奏大师"

SCLK 由主机生成，是整个通信的 "心跳"。就像乐队的鼓手，SCLK 的频率（比如 1MHz、10MHz）决定了数据传输的速度。频率越高，数据传得越快，但对硬件的要求也越高（比如走线不能太长，否则容易有噪声）。

2.2 MOSI（主机输出从机输入）：主机的 "单向快递车"

MOSI 是主机向从机发送数据的专用通道。主机就像快递员，把要发送的数据按位（bit）依次放到 MOSI 线上，从机则根据 SCK 的节奏 "接货"。

2.3 MISO（主机输入从机输出）：从机的 "反向快递车"

MISO 是从机向主机发送数据的通道。当主机给从机发数据时，从机也会同时通过 MISO 回传数据 —— 这就是全双工的魅力，一来一回同时完成。

2.4 SS（从机选择线）：精准的 "点名器"

SS 线是主机的 "点名开关"。因为 SPI 支持多个从机（比如一个单片机接了 3 个传感器），主机需要通过 SS 线告诉 "今天我要和谁通信"。当 SS 线被拉低（比如从 3.3V 变 0V），对应的从机就会 "竖起耳朵" 准备接收数据；其他从机的 SS 线保持高电平，相当于 "我现在不参与，别打扰"。

举个实际例子：在 STM32 开发板上，我们常看到这样的连接 —— PA5（SCK）→ 传感器的SCK PA7（MOSI）→ 传感器的MOSI PA6（MISO）→ 传感器的MISO PA4（SS）→ 传感器的SS 这四根线一接，单片机就能和传感器愉快地 "聊天" 了。

三、关键操作：SPI 的时序到底怎么玩？

光知道线怎么连还不够，SPI 的核心秘密藏在时序里 —— 也就是 SCK、MOSI、MISO、SS 这四根线在时间上的配合。就像跳双人舞，节奏不对就会踩脚。

3.1 两个核心参数：CPOL 和 CPHA

SPI 的时序由两个参数决定：时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）。这俩参数组合起来，形成了 SPI 的四种模式（Mode0~Mode3）：

• CPOL（Clock Polarity）：SCK 的 "休息状态" CPOL=0 时，SCK 在空闲（不通信）时是低电平（0V）； CPOL=1 时，SCK 在空闲时是高电平（3.3V）。 就像快递车的 "停车状态"—— 要么停在起点（低电平），要么停在终点（高电平）。
• CPHA（Clock Phase）：数据的 "传递时机" CPHA=0 时，数据在 SCK 的第一个边沿（比如从低变高的上升沿）被采样（读取）； CPHA=1 时，数据在 SCK 的第二个边沿（比如从高变低的下降沿）被采样。 相当于快递员 "交货" 的时间 —— 要么第一声铃响交货，要么第二声铃响交货。

3.2 四种模式怎么记？

为了不让你记混，咱们直接上 "时序四兄弟" 的对比图：

举个 Mode0 的栗子（最常用的模式）： 当 CPOL=0（SCK 空闲低电平），CPHA=0（第一个边沿采样），通信开始时：

1. 主机拉低 SS 线（选中从机）；
2. SCK 开始 "高低高低" 跳动（上升沿和下降沿交替）；
3. 在 SCK 的上升沿（低→高），主机把 MOSI 的当前位数据 "放" 到线上，从机同时读取 MOSI 的数据；
4. 同时，从机把 MISO 的当前位数据 "放" 到线上，主机读取 MISO 的数据；
5. 下降沿时，双方准备下一位的数据；
6. 8 个边沿（一个字节）后，数据传输完成，主机拉高 SS 线，结束通信。

四、硬件设计避坑指南：这些细节容易翻船

理论学得再溜，实际搭电路时也可能踩坑。咱们总结了 SPI 硬件设计中最容易出错的几个点，帮你少走弯路。

4.1 多从机连接：独立片选 vs 菊花链，怎么选？

如果一个主机要连多个从机（比如同时接 FLASH 和加速度传感器），有两种连接方式：

• 独立片选（每个从机一根 SS 线）： 优点：简单！主机想和谁通信，就拉低谁的 SS 线，其他从机自动 "闭嘴"。 缺点：费 IO 口！如果接 5 个从机，主机需要 5 个 IO 口控制 SS，对于 IO 紧张的单片机（比如 STM8）不太友好。

• 菊花链（所有从机共享 SS 线）： 优点：省 IO！只需要一根 SS 线，所有从机 "串" 起来 —— 前一个从机的 MISO 连到下一个的 MOSI。 缺点：复杂！数据需要 "接力" 传输，主机发的第一个字节给第一个从机，第二个字节给第二个从机，容易出错。

建议：新手优先选独立片选，简单可靠；如果 IO 不够，再考虑菊花链，但调试时记得用逻辑分析仪（比如 Saleae）看时序。

4.2 信号完整性：走线长度影响速度

SPI 的高速（可达几十 MHz）是优点，但也带来麻烦 —— 走线太长会引入噪声，导致数据传错。

记住这几点：

• SCK、MOSI、MISO 尽量走短、走直，避免和电源线、高频信号线（比如 USB）平行；
• 重要信号（如 SCK）可以加 10Ω~33Ω 的串联电阻，减少反射（类似高速电路的阻抗匹配）；
• 从机的 SS 线尽量靠近主机，避免长走线被干扰（比如被电机、继电器的噪声 "污染"）。

4.3 电源与接地：共地才能好好说话

SPI 通信的前提是主机和从机 "共地"—— 也就是它们的 GND 连在一起。如果两地之间有电压差（比如主机 GND 是 0V，从机 GND 是 0.1V），MOSI/MISO 的高 / 低电平判断就会出错（比如 3.3V 的信号在从机看来可能变成 3.2V，被误判为低电平）。 血泪教训：曾经有个项目，传感器和单片机分别接了不同的电源模块，没共地，结果 SPI 通信时好时坏，最后发现是 GND 没连牢。

五、调试秘籍：从现象看本质

5.1 常见问题诊断表

5.2 调试神器推荐

1. 逻辑分析仪：捕获SPI时序（推荐Saleae Logic 8）
2. 示波器：观察信号质量（重点关注上升沿）
3. 万用表：测量关键点电压（CS低电平确认）

六、总结

最后，咱们给 SPI 做个 "体检报告"，帮你快速判断什么时候用它：

优点：

• 高速：最高可达几十 MHz（远高于 I2C 的 400kHz），适合传感器、存储等需要快速传数据的场景；
• 全双工：收发同时进行，效率高；
• 简单：没有复杂的从机地址（不像 I2C 需要设置 7 位地址），主机直接控制 SS 线；
• 灵活：支持多种时序模式（Mode0~Mode3），适配不同从机。

缺点：

• 费引脚：至少需要 4 根线（I2C 只需要 2 根），不适合引脚少的单片机；
• 无应答机制：SPI 没有 I2C 的 ACK（应答）信号，主机不知道从机是否收到数据（需要额外设计校验，比如 CRC）；
• 抗干扰差：高速信号容易受噪声影响，长距离传输（超过 1 米）效果不好（这时候可能得用 RS485）。

SPI 就像嵌入式工程师的 "瑞士军刀"，虽然不是万能的，但在短距离高速通信场景中几乎不可替代。理解它的硬件时序、掌握设计技巧，能帮你在调试时快速定位问题（比如时序不匹配、信号干扰），少掉几根头发。

附录：SPI vs I2C关键对比