SPI（Serial Peripheral Interface）详解

SPI（串行外设接口）是一种由摩托罗拉（现为NXP）开发的同步、全双工串行通信协议，专为短距离高速数据传输设计。其核心特点是主从架构、硬件简单、无寻址开销，广泛应用于嵌入式系统中微控制器与外设的连接。

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一、SPI的核心特性

1. 通信架构

• 主从模式：

  • 主设备（Master）：生成时钟信号（SCLK），控制通信时序。

  • 从设备（Slave）：被动响应主设备指令，同一总线上可挂载多个从设备。

• 信号线：

  • SCLK（Serial Clock）：主设备输出的时钟信号。

  • MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据到从设备。

  • MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据到主设备。

  • SS/CS（Slave Select/Chip Select）：主设备通过拉低对应片选信号激活从设备。

2. 数据传输

• 全双工通信：数据在MOSI和MISO线上同时传输。

• 时钟边沿同步：数据在SCLK的上升沿或下降沿采样（由CPOL和CPHA决定）。

• 数据帧格式：通常以字节（8位）为单位，支持MSB（高位优先）或LSB（低位优先）传输。

3. 时钟模式（CPOL与CPHA）

• CPOL（Clock Polarity）：

  • 0：时钟空闲时为低电平。

  • 1：时钟空闲时为高电平。

• CPHA（Clock Phase）：

  • 0：数据在第一个时钟边沿采样（上升沿或下降沿）。

  • 1：数据在第二个时钟边沿采样。

• 四种组合模式：

  模式	CPOL	CPHA	采样边沿
  0	0	0	上升沿采样，下降沿更新数据
  1	0	1	下降沿采样，上升沿更新数据
  2	1	0	下降沿采样，上升沿更新数据
  3	1	1	上升沿采样，下降沿更新数据

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二、SPI的优缺点

1. 优点

• 高速传输：典型速率可达10~100 Mbps（取决于硬件和距离）。

• 全双工通信：同时发送和接收数据，提升效率。

• 硬件简单：无需复杂协议栈，易于实现。

2. 缺点

• 引脚占用多：每个从设备需独立片选线（多设备扩展需更多IO）。

• 无错误检测：缺乏CRC校验或ACK机制，依赖硬件稳定性。

• 短距离限制：通常适用于板级通信（<30厘米）。

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三、典型应用场景

 1. 存储器通信

• EEPROM：如AT25系列，存储配置参数（容量16KB~2MB）。

• Flash存储器：如W25Q128（128Mb SPI Flash），用于固件存储。

• SD卡（SPI模式）：低成本方案读取存储卡数据。

2. 传感器接口

• 加速度计/陀螺仪：MPU6050通过SPI输出6轴运动数据。

• 环境传感器：BME280传输温湿度、气压数据（SPI速率3 MHz）。

• 图像传感器：OV7670摄像头模块配置寄存器。

3. 显示设备

• OLED/LCD屏：SSD1306 OLED驱动芯片接收显示指令。

• TFT触摸屏：ILI9341控制器支持SPI接口刷新图像。

 4. 数据转换器

• ADC/DAC：MCP3008（10位ADC）采集模拟信号，速率200 ksps。

• 数字电位器：MCP4131调节电阻值，用于音量控制。

5. 无线通信模块

• Wi-Fi模块：ESP8266通过SPI高速传输网络数据。

• 蓝牙芯片：nRF51852配置连接参数。

• RFID读卡器：MFRC522读写NFC标签。

 6. 其他外设

• 实时时钟（RTC）：DS3231高精度时钟芯片配置时间。

• FPGA配置：通过SPI加载FPGA的比特流文件。

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四、SPI与其他接口对比

特性	SPI	I²C	UART
信号线数	4（SCLK+MISO+MOSI+CS）	2（SCL+SDA）	2（TX+RX）
通信方式	全双工	半双工	全双工
最大速率	100 Mbps	3.4 Mbps（Fast Mode+）	通常≤1 Mbps
多设备支持	多从设备（需多CS线）	多从设备（地址寻址）	点对点
复杂度	低（硬件简单）	中（需协议栈）	低（异步无需时钟）

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五、硬件设计要点

 1. 多从设备扩展

• 独立片选（CS）：每个从设备分配独立CS引脚（适合少量设备）。

• 多路复用器：使用74HC138等译码器扩展CS信号（支持8~16个设备）。

• 菊花链（Daisy Chain）：多个从设备共用CS，数据依次传递（需支持级联的芯片）。

2. 信号完整性

• 短距离布线：SCLK和MOSI/MISO线长度尽量等长（降低时钟偏移）。

• 上拉电阻：部分从设备需在MISO线上添加上拉（如10kΩ）。

• 终端匹配：高速传输（>10 MHz）时，在信号末端并联50Ω电阻。

3. 隔离与保护

• 电平转换：3.3V主设备与5V从设备间使用TXB0108双向转换器。

• ESD保护：添加TVS二极管（如PESD5V0）防护静电放电。

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六、软件实现示例（以STM32为例）

// SPI初始化（模式0，8位数据，MSB优先）
SPI_HandleTypeDef hspi;
hspi.Instance = SPI1;
hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;   // CPOL=0
hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;       // CPHA=0
hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               // 软件控制CS
HAL_SPI_Init(&hspi);

// 发送并接收数据
uint8_t tx_data[2] = {0xAA, 0x55};
uint8_t rx_data[2];
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); // 拉低CS
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, tx_data, rx_data, 2, 100);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);   // 释放CS

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总结

SPI以其高速、全双工、硬件简单的特性，成为嵌入式系统中外设互联的核心接口。
设计关键：

1. 正确配置时钟模式（CPOL/CPHA）以匹配从设备。

2. 优化多从设备扩展方案（独立CS或菊花链）。

3. 确保信号完整性（短距离、等长布线）。
   在需要高速数据交换的场景（如存储器、传感器、显示屏驱动）中，SPI是比I²C和UART更优的选择。