嵌入式教育科普|SPI接口全面解析

在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)接口作為信息交互的核心樞紐，扮演著不可或缺的角色。各類接口通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議與規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間的高效數(shù)據(jù)傳輸與智能協(xié)同。作為嵌入式開發(fā)的核心技術(shù)之一，接口的深入理解與熟練運(yùn)用直接決定了嵌入式系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)與性能優(yōu)化。本文將以SPI（Serial Peripheral Interface）接口為切入點(diǎn)，詳細(xì)剖析其工作原理與技術(shù)特點(diǎn)，旨在為屏幕前渴望掌握嵌入式開發(fā)的小伙伴構(gòu)建一個(gè)全面的接口知識(shí)體系。

一、基本概念

SPI的全稱是Serial Peripheral Interface，譯為串行外設(shè)接口。它是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，用于控制器和各種外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。SPI接口具有全雙工通信、傳輸速度快、協(xié)議簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此在許多需要高效率、短距離的通信場(chǎng)景中使用。SPI接口經(jīng)常被稱為4線串行總線，以主/從方式工作，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程由主機(jī)初始化。4條線號(hào)線如下：

SPI采用主從模式，通常由一個(gè)主設(shè)備（Microcontroller等控制器）和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備組成。

在通信過(guò)程中，由主設(shè)備來(lái)控制從設(shè)備，主設(shè)備負(fù)責(zé)生成時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)SCK引腳提供給從設(shè)備，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)備通過(guò)MOSI向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)MISO從從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。

在SPI總線上，當(dāng)一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，主設(shè)備使用SS信號(hào)選擇一個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信，只有被選擇的從設(shè)備會(huì)響應(yīng)主設(shè)備的指令，其余從設(shè)備則保持不響應(yīng)狀態(tài)。

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二、工作模式

SPI通常有四種工作模式（0、1、2、3），主要區(qū)別在于時(shí)鐘極性（CPOL）和時(shí)鐘相位（CPHA）的不同設(shè)置，決定了時(shí)鐘信號(hào)在何時(shí)進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)采樣。

CPOL：時(shí)鐘的極性；表示SPI在空閑時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)是高電平還是低電平。

CPHA：時(shí)鐘的相位；表示SPI設(shè)備是在SCK管腳上面的時(shí)鐘信號(hào)變?yōu)樯仙貢r(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采樣，還是在時(shí)鐘信號(hào)變?yōu)橄陆笛貢r(shí)出發(fā)數(shù)據(jù)采樣。至于跳變沿是上升沿還是下降沿，取決于CPOL。

主設(shè)備會(huì)根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘脈沖，時(shí)鐘脈沖組成了時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位控制著兩個(gè)SPI設(shè)備之間核實(shí)數(shù)據(jù)交換以及何時(shí)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，來(lái)保證數(shù)據(jù)在兩個(gè)設(shè)備之間是同步傳輸的。SPI主設(shè)備與通信的從設(shè)備時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。主設(shè)備SPI時(shí)鐘和極性的配置應(yīng)該由外設(shè)決定。

CPOL跟CPHA的不同組合構(gòu)成了SPI總線的四種不同模式：

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模式0（CPOL=0，CPHA=0）：

CPOL=0：空閑時(shí)候?yàn)榈碗娖?，第一個(gè)跳變沿是上升沿，第二個(gè)跳變沿是下降沿。

CPHA=0：數(shù)據(jù)在第一個(gè)跳變沿（上升沿）采樣。

模式1（CPOL=0，CPHA=1）：

CPOL=0：空閑時(shí)候?yàn)榈碗娖?，第一個(gè)跳變沿是上升沿，第二個(gè)跳變沿是下降沿。

CPHA=1：數(shù)據(jù)在第二個(gè)跳變沿（下降沿）采樣。

模式2（CPOL=1;CPHA=0）：

CPOL=1：空閑時(shí)候?yàn)楦唠娖?，第一個(gè)跳變沿是下降沿，第二個(gè)跳變沿是上升沿。

CPHA=0：數(shù)據(jù)在第一個(gè)跳變沿（下降沿）采樣。

模式3（CPOL=1;CPHA=1）：

CPOL=1：空閑時(shí)候?yàn)楦唠娖剑谝粋€(gè)跳變沿是下降沿，第二個(gè)跳變沿是上升沿。

CPHA=1：數(shù)據(jù)在第二個(gè)跳變沿（上升沿）采樣。

關(guān)于SPI接口就介紹到這里，衷心希望這些內(nèi)容能為屏幕前努力學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)的小伙伴帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的幫助與啟發(fā)。