1. SPI協議概述

1.1 什么是SPI？

SPI（Serial Peripheral Interface）是由摩托羅拉公司于1980年代提出的同步串行通信協議，主要用于短距離高速芯片間通信。作為四線制全雙工通信協議，它以簡單的硬件實現和高效的傳輸速率著稱，廣泛應用于存儲器、傳感器、顯示模塊等嵌入式設備中。

典型應用場景：

• 微控制器與Flash存儲器通信（如W25Q128）
• 觸摸屏控制器數據傳輸
• 數字信號處理器與ADC/DAC模塊連接
• TFT液晶屏驅動控制

1.2 核心特性對比

特性	SPI	I2C	UART
通信方式	全雙工	半雙工	全雙工
拓撲結構	點對點/主從	多主多從	點對點
最大速率	100Mbps+	3.4Mbps	115200bps
信號線數量	4	2	2
尋址方式	硬件片選	軟件地址	無地址

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2. SPI物理層詳解

2.1 四線制信號定義

1. MOSI (Master Output Slave Input)
   • 主設備數據輸出線
   • 傳輸方向固定：主→從
   • 典型應用：發送控制指令或寫入數據
2. MISO (Master Input Slave Output)
   • 從設備數據輸出線
   • 傳輸方向固定：從→主
   • 注意：同一時刻只能有一個從設備驅動該線路
3. SCLK (Serial Clock)
   • 主設備產生的同步時鐘
   • 頻率范圍：通常1MHz-50MHz（具體取決于器件）
   • 時鐘相位和極性可配置（詳見第4章）
4. SS/CS (Slave Select)
   • 低電平有效的片選信號
   • 每個從設備獨立擁有CS線
   • 多從機系統需要多個GPIO控制

2.2 硬件連接注意事項

• 總線長度限制：一般不超過30cm
• 上拉電阻：根據器件需求添加（通常4.7kΩ-10kΩ）
• 信號完整性：高速傳輸時需考慮阻抗匹配
• 多從機連接方式：
  • 獨立片選（推薦）：每個從機單獨CS線
  • 菊花鏈：數據級聯傳輸（需器件支持）

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3. SPI協議層深度解析

3.1 通信時序模型

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// 典型SPI數據傳輸偽代碼
void SPI_Transfer(uint8_t *txData, uint8_t *rxData, int length)
{CS_LOW(); // 起始信號for(int i=0; i<length; i++){// 時鐘邊沿觸發數據交換for(int bit=7; bit>=0; bit--){MOSI = (txData[i] >> bit) & 0x01;SCLK_TOGGLE();rxData[i] |= (MISO << bit);SCLK_TOGGLE();}}CS_HIGH(); // 停止信號
}

3.2 關鍵時序參數

參數	描述	典型值
t_SCLK	時鐘周期	20ns@50MHz
t_SU	數據建立時間	5ns
t_HOLD	數據保持時間	3ns
t_CS2CLK	CS有效到第一個時鐘邊沿的延遲	10ns

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4. SPI工作模式詳解

4.1 CPOL與CPHA組合模式

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typedef enum {SPI_MODE0 = 0,  // CPOL=0, CPHA=0SPI_MODE1,      // CPOL=0, CPHA=1SPI_MODE2,      // CPOL=1, CPHA=0SPI_MODE3       // CPOL=1, CPHA=1
} SPI_Mode;

4.1.1 模式0（最常用）

• 時鐘空閑狀態：低電平
• 數據采樣時刻：上升沿
• 應用案例：大多數SPI Flash存儲器

4.1.2 模式3

• 時鐘空閑狀態：高電平
• 數據采樣時刻：下降沿
• 應用案例：某些型號的SD卡

4.2 模式選擇實踐建議

1. 嚴格參照器件手冊確定工作模式
2. 使用邏輯分析儀驗證實際波形
3. 當通信異常時首先檢查模式設置
4. 注意不同廠家對模式的命名差異

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5. STM32的SPI外設配置

5.1 初始化代碼示例

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void SPI1_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};SPI_HandleTypeDef hspi1 = {0};// 時鐘使能__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();// MOSI(PA7), MISO(PA6), SCLK(PA5)GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF5_SPI1;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// SPI參數配置hspi1.Instance = SPI1;hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4;hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

5.2 關鍵配置參數解析

1. BaudRatePrescaler
   • 計算公式：SCLK = APB Clock / (2 * prescaler)
   • 常用值：2分頻（高速模式）、8分頻（常規模式）
2. DataSize
   • 支持8/16位數據幀
   • 注意對齊16位訪問（使用__packed關鍵字）
3. NSS管理
   • 硬件模式：自動片選（需配置NSS引腳）
   • 軟件模式：手動控制GPIO（推薦）

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6. SPI與I2C的對比選擇

6.1 協議特性對比

對比維度	SPI	I2C
傳輸速率	高速（50MHz+）	中速（400kHz-1MHz）
引腳資源	4線+N*CS	2線
尋址方式	硬件片選	7/10位地址
拓撲復雜度	多CS線導致布線復雜	總線式易于擴展
功耗	較高（持續時鐘）	較低（時鐘拉伸）

6.2 選型建議

選擇SPI當：

• 需要高速數據傳輸
• 系統對實時性要求高
• 通信距離短（<30cm）
• 主設備引腳資源充足

選擇I2C當：

• 設備數量多且布線空間有限
• 通信速率要求不高
• 需要熱插拔支持
• 低功耗設計場景

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7. SPI實戰應用案例

7.1 OLED顯示屏驅動

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// SSD1306寫命令函數
void OLED_WriteCmd(uint8_t cmd)
{OLED_CS_LOW();OLED_DC_CMD();  // 命令模式HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, 100);OLED_CS_HIGH();
}// 初始化序列示例
const uint8_t init_seq[] = {0xAE, // 關閉顯示0xD5, 0x80, // 設置時鐘分頻0xA8, 0x3F, // 設置多路復用率// ...其他初始化命令
};void OLED_Init(void)
{for(int i=0; i<sizeof(init_seq); i++){OLED_WriteCmd(init_seq[i]);}
}

7.2 FLASH存儲器讀寫

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#define W25Q_CMD_READ  0x03
#define W25Q_CMD_WRITE 0x02void W25Q_ReadData(uint32_t addr, uint8_t *buffer, uint16_t len)
{uint8_t cmd[4] = {W25Q_CMD_READ,(addr >> 16) & 0xFF,(addr >> 8) & 0xFF,addr & 0xFF};W25Q_CS_LOW();HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, 100);HAL_SPI_Receive(&hspi1, buffer, len, 1000);W25Q_CS_HIGH();
}

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8. 常見問題排查指南

8.1 通信失敗常見原因

1. 模式配置錯誤（占故障的60%以上）
   • 檢查CPOL/CPHA設置
   • 使用邏輯分析儀捕獲實際波形
2. 時序問題
   • 確保CS信號有效時間足夠
   • 調整時鐘分頻系數
3. 硬件連接故障
   • 檢查線路短路/斷路
   • 確認電壓電平匹配

8.2 調試技巧

1. 使用示波器測量關鍵信號：
   • SCLK頻率是否符合預期
   • MOSI/MISO數據是否對齊時鐘邊沿
   • CS信號的有效時間
2. 分步驗證：
   • 先測試單字節傳輸
   • 驗證主從設備各自獨立工作
   • 添加軟件延時輔助調試

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9. 未來發展趨勢

1. 增強型SPI協議
   • QSPI（四線制，帶寬翻倍）
   • OSPI（Octal SPI，八線制）
   • HyperBus（混合協議）
2. 自動化配置技術
   • 基于AI的自動模式識別
   • 動態時鐘調整技術
3. 安全增強
   • 硬件加密引擎集成
   • 時序隨機化防竊聽

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10. 總結與建議

通過本文的系統講解，我們深入剖析了SPI協議的各個技術細節。在實際項目開發中，建議：

1. 建立標準化的SPI驅動框架
2. 編寫完善的錯誤檢測和恢復機制
3. 使用版本控制管理設備配置參數
4. 定期進行總線信號完整性測試

隨著物聯網設備的爆發式增長，SPI作為經典的高速通信協議，仍將在嵌入式領域發揮重要作用。掌握其核心原理并積累實戰經驗，是嵌入式工程師的必備技能。