SPI通信协议原理详解(下)

如前所述，SPI的四种模式由CPOL和CPHA决定，具体差异如下： 

模式0（CPOL=0，CPHA=0）：空闲时SCLK为低电平，数据在SCLK上升沿被采样，下降沿切换数据。

模式1（CPOL=0，CPHA=1）：空闲时SCLK为低电平，数据在SCLK下降沿被采样，上升沿切换数据。

模式2（CPOL=1，CPHA=0）：空闲时SCLK为高电平，数据在SCLK下降沿被采样，上升沿切换数据。

模式3（CPOL=1，CPHA=1）：空闲时SCLK为高电平，数据在SCLK上升沿被采样，下降沿切换数据。 

主从设备必须使用相同的模式，否则会出现数据采样错误。例如，若主设备用模式0发送数据，而从设备用模式3接收，采样时刻的错位会导致数据解析错误。 

SPI支持“一主多从”架构，多个从设备共享SCLK、MOSI和MISO线，每个从设备拥有独立的SS线（如图1所示）。主设备通过控制SS线的电平选择通信对象： 

当主设备需要与某一从设备通信时，拉低该设备的SS线，其他从设备的SS线保持高电平（不激活）。

通信期间，被选中的从设备通过MISO线返回数据，未被选中的从设备的MISO线处于高阻态（不影响总线）。 

这种架构的优势是布线简单，仅需增加SS线即可扩展从设备数量，但缺点是主设备需单独管理每个SS线，且总线上同一时间只能有一个从设备工作，无法实现多设备同时通信。 

高速传输：SPI没有复杂的协议 overhead（如起始位、停止位、校验位等），传输速率通常可达几十Mbps，远高于I2C（通常几百kbps）和UART（通常几Mbps）。

全双工通信：MOSI和MISO线独立，主从设备可同时发送和接收数据，适合需要双向高速数据交换的场景（如SD卡读写、显示屏控制）。

结构简单：硬件实现难度低，无需复杂的地址解析或仲裁机制，主设备通过SS线直接选择从设备，适合资源有限的嵌入式系统。

灵活性高：数据帧格式、传输速率可灵活配置，支持不同类型的外设。 

不支持多主设备：SPI协议没有仲裁机制，总线上只能有一个主设备，无法实现多主设备竞争总线。

布线成本较高：多从设备场景下需单独的SS线，当从设备数量较多时，布线复杂度增加。

无纠错机制：协议本身不包含校验位或重传机制，若传输过程中出现噪声干扰，可能导致数据错误，需上层协议补充校验（如CRC）。

传输距离有限：由于是高速同步通信，信号易受干扰，通常适用于板内或短距离（几米内）设备间通信。

SPI的特性使其在嵌入式领域应用广泛，典型场景包括： 

存储设备：如SPI Flash（用于存储程序或数据）、SD卡（通过SPI模式与微控制器通信）。

传感器：如加速度传感器（ADXL345）、陀螺仪（MPU6050）等，通过SPI向主设备传输测量数据。

显示设备：如OLED屏、LCD屏，主设备通过SPI高速传输图像数据。

通信模块：如蓝牙模块、Wi-Fi模块，部分型号支持SPI接口与主控制器通信。

工业控制：如PLC（可编程逻辑控制器）与外设的短距离数据交换。

SPI协议以其高速、全双工、结构简单的特点，成为嵌入式系统中连接主设备与外设的重要通信方式。其核心原理是通过主设备提供的同步时钟，在MOSI和MISO线上实现数据的双向并行传输，并通过SS线管理多从设备的通信选择。尽管存在不支持多主设备、无纠错机制等局限性，但在短距离、高速率、低复杂度的应用场景中，SPI仍具有不可替代的优势。 

理解SPI的工作原理（如时序模式、硬件结构、多设备通信机制），对于嵌入式工程师设计硬件接口、调试通信问题具有重要意义。在实际应用中，需根据外设的特性（如支持的模式、速率）配置主设备参数，并通过上层协议补充校验机制，以确保数据传输的可靠性。