SPI基础：四线制同步通信、主从模式、时钟极性与相位详解

从一次半夜的SPI调试说起

凌晨两点，示波器探头夹在板子上，屏幕上的波形像心电图一样跳。我盯着MISO线上那串本该是0xA5的数据，结果读回来全是0xFF。主控是STM32F4，从设备是一颗AD7793 ADC芯片。代码写了三遍，寄存器配了五遍，SPI时钟频率从4MHz降到125kHz，问题依旧。

后来发现，不是硬件坏了，不是焊接虚了，是CPOL和CPHA配反了。从设备手册里写着“数据在SCLK的上升沿被采样”，我配成了下降沿。就这么一个比特位的差异，折腾了四个小时。

从那以后，我养成了一个习惯：写SPI驱动之前，先把从设备手册里关于时序的那几页打印出来，用红笔圈出采样沿和空闲电平。这不是小题大做，SPI的坑，十有八九都出在时钟极性和相位上。

四线制，每一根线都有脾气

SPI的全称是Serial Peripheral Interface，串行外设接口。名字里带“串行”，但它的物理层是四条独立的信号线，各司其职，不像I2C那样靠一根线既传时钟又传地址。

• SCLK（Serial Clock）：时钟线，由主设备产生。这根线的频率决定了通信速度，也决定了从设备能不能跟上节奏。有些从设备手册会写“最大SCLK频率10MHz”，你非要用12MHz，偶尔能通，偶尔丢数据，查都查不出来。
• MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入。数据从主设备流向从设备。注意方向，别接反了。我见过有人把MOSI和MISO焊反，结果主设备发0x55，从设备收到0xAA，还以为是芯片坏了。
• MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出。数据从从设备流回主设备。如果从设备没被片选选中，MISO通常处于高阻态，这时候主设备读到的是不确定值。
• CS/SS（Chip Select / Slave Select）：片选线，低电平有效。这根线决定了哪个从设备在跟主设备说话。一个主设备可以挂多个从设备，每个从设备独占一根CS线。CS拉低，从设备开始监听SCLK；CS拉高，从设备闭嘴，MISO释放。

四根线，缺一不可。有人问能不能省掉CS线，用软件控制从设备？可以，但前提是你只有一个从设备，而且那个从设备允许CS一直拉低。大多数SPI从设备不这么干，它们靠CS的下降沿复位内部状态机。

主从模式，谁说了算

SPI是典型的主从架构。主设备负责产生时钟，决定什么时候开始通信、什么时候结束。从设备被动响应，没有时钟就什么也干不了。

主设备可以是MCU，可以是FPGA，也可以是带SPI主控功能的SoC。从设备五花八门：ADC、DAC、传感器、存储器、显示屏、无线模块……只要支持SPI接口，都能挂上去。

通信过程很简单：主设备把CS拉低，然后开始产生SCLK脉冲。每个时钟周期，主设备通过MOSI发一个比特，同时从设备通过MISO回一个比特。所以SPI是全双工的，发和收同时进行。你发一个字节，必然同时收到一个字节。如果只发不收，收到的数据可以扔掉；如果只收不发，主设备也得发点东西，通常是0x00或0xFF，用来产生时钟。

这个特性很重要。很多新手写SPI接收函数，只调用接收API，不发送数据，结果读回来的全是0。因为主设备没产生时钟，从设备根本没机会把数据送出来。

时钟极性和相位，SPI的灵魂

时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）是SPI最让人头疼的部分，也是面试必考题。但别被名字吓住，理解起来其实很简单。

CPOL决定SCLK空闲时的电平：

• CPOL=0：空闲时SCLK为低电平
• CPOL=1：空闲时SCLK为高电平

CPHA决定数据在哪个边沿被采样：

• CPHA=0：在SCLK的第一个边沿采样（如果是CPOL=0，第一个边沿是上升沿；CPOL=1，第一个边沿是下降沿）
• CPHA=1：在SCLK的第二个边沿采样

组合起来就是四种模式，通常称为Mode 0、Mode 1、Mode 2、Mode 3：

• Mode 0：CPOL=0，CPHA=0。空闲低电平，上升沿采样，下降沿切换数据。这是最常见的模式，很多传感器和存储器默认用这个。
• Mode 1：CPOL=0，CPHA=1。空闲低电平，下降沿采样，上升沿切换数据。
• Mode 2：CPOL=1，CPHA=0。空闲高电平，下降沿采样，上升沿切换数据。
• Mode 3：CPOL=1，CPHA=1。空闲高电平，上升沿采样，下降沿切换数据。

怎么选？看从设备手册。手册里通常会有一张时序图，标出SCLK、MOSI、MISO的波形关系。找到“Data is sampled on the rising edge of SCLK”这句话，就知道CPHA=0且CPOL=0（Mode 0）或者CPHA=1且CPOL=1（Mode 3）。具体哪个，看空闲电平。

这里踩过坑：有些从设备手册的时序图画得不规范，采样沿标得不清楚。这时候别猜，直接看数据手册里“SPI Timing Characteristics”表格，里面会明确写“t_su”和“t_h”对应哪个边沿。或者用示波器抓一下从设备在已知模式下的输出，反推它的时序要求。

实际工程中的SPI配置

以STM32为例，配置SPI的代码大概长这样：

SPI_HandleTypeDef hspi1;

void MX_SPI1_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;          // 主模式
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 全双工
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;     // 8位数据，别用16位除非从设备明确支持
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;   // CPOL=0
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;       // CPHA=0，第一个边沿采样
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               // 软件控制CS，别用硬件NSS，坑多
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16; // 分频系数，根据主频算
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;      // MSB先行，大部分从设备都是
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

别这样写：把NSS配成硬件模式，然后指望HAL库自动管理CS。硬件NSS在单从设备场景下勉强能用，但多从设备时根本没法用。老老实实把CS引脚配成GPIO，手动拉低拉高，可控性高得多。

发送接收的代码：

uint8_t tx_data = 0xA5;
uint8_t rx_data = 0;

// 拉低CS
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);

// 发送一个字节，同时接收一个字节
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &tx_data, &rx_data, 1, HAL_MAX_DELAY);

// 拉高CS
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);

这里踩过坑：HAL_SPI_TransmitReceive的最后一个参数是超时时间。别设成0，否则函数可能立即返回，数据还没发完。也别设成HAL_MAX_DELAY，万一SPI出问题，程序就卡死了。根据数据长度和波特率算一个合理值，比如1ms。

时钟频率的取舍

SPI的时钟频率不是越高越好。频率高了，信号完整性下降，走线长了会反射，从设备也可能跟不上。

经验法则：

• 板内通信（同一块PCB，走线<10cm），频率可以跑到几十MHz，前提是PCB layout注意阻抗匹配和回流路径。
• 板间通信（通过排线或线缆连接），频率降到1MHz以下比较安全。排线长了就是天线，高频信号串扰严重。
• 如果从设备是ADC或传感器，注意它们的转换时间。有些ADC在转换期间不能读数据，否则读到的可能是旧值。

别这样写：上来就把SPI时钟配到芯片支持的最高频率。先按从设备手册推荐的最大频率的一半开始，调通了再往上提。出问题的时候，降频是第一排查手段。

多从设备的CS管理

一个SPI总线上挂多个从设备时，CS的管理就变得关键。

• 每个从设备独占一根CS引脚，不能共用。
• 通信前，把目标从设备的CS拉低，其他从设备的CS保持高电平。
• 通信结束后，把CS拉高。注意，有些从设备要求CS拉高后保持一段时间（比如100ns），才能进行下一次通信。手册里叫“CS deselect time”。
• 切换从设备时，先拉高当前设备的CS，延时一小段时间，再拉低下一个设备的CS。别连续操作，给从设备一点反应时间。

这里踩过坑：两个从设备共用一根CS，以为靠地址区分。SPI没有地址概念，CS就是地址。共用CS的结果是两个从设备同时响应，MISO线上数据打架，读回来的数据全是乱的。

个人经验性建议

1. 调试SPI，示波器是必须的。逻辑分析仪也行，但示波器能看到信号质量。抓波形的时候，同时抓SCLK、MOSI、MISO、CS四根线，对照手册时序图，一眼就能看出问题。

2. 从设备手册的时序图，打印出来贴在工位上。别嫌麻烦，SPI的坑十有八九出在时序上。CPOL/CPHA配错、CS时序不满足、数据建立时间不够，这些都能在时序图上找到答案。

3. 写驱动的时候，把CS控制放在最外层。不要在SPI发送函数内部拉低拉高CS，那样不方便调试。把CS控制放在调用层，出了问题可以单独测试CS的时序。

4. SPI通信失败，先降频。把时钟频率降到1MHz以下，如果通了，说明是信号完整性问题。如果还不通，查接线、查配置、查从设备供电。

5. 不要迷信HAL库。HAL库封装了SPI的底层操作，但出了问题，HAL库不会帮你排查。学会直接操作寄存器，至少要知道SPI_CR1、SPI_CR2、SPI_DR这几个寄存器是干什么的。关键时刻，寄存器级调试比HAL库快十倍。

6. SPI的MISO线，上拉还是下拉？ 看从设备。如果从设备的MISO在CS未选中时是高阻态，建议在MISO上加一个上拉电阻（10kΩ），防止浮空输入导致MCU误判。如果从设备的MISO在未选中时是推挽输出，就别加上拉了，会拉低电平。

7. 最后一条，也是最实用的一条：如果项目时间紧，SPI调不通，别死磕。换一个支持SPI的从设备型号，或者换一个MCU的SPI外设，有时候硬件bug就是存在，换个方案比修bug快得多。