在了解完I2C通信后，不免會接觸到到SPI通信。而一開始，可能會覺得兩者好似沒什么區別。為什么要學SPI呢，I2C和SPI有什么區別呢。為此我詳細展開說說。

1.什么是 SPI？

SPI，全稱 Serial Peripheral Interface，中文翻譯為串行外設接口，是一種 主從式、同步、全雙工 的串行通信協議。

三個關鍵詞：
主從式：一個主機控制多個從設備（主發起，從響應）

同步式：數據傳輸由時鐘信號（SCK）控制同步

全雙工：可以邊發送邊接收，MOSI/MISO 兩條獨立數據線

2.SPI 的 4 根基本信號線結構

注意：

SCK、MOSI、CS 都是主機控制輸出；

MISO 是主機讀取輸入；

SPI 是一種基于邊沿的協議 —— 數據變化和數據采樣都是“在時鐘跳變沿發生”。

3.SPI 是怎么工作的？（核心機制）

接下來我來對比 SPI 四種模式（Mode 0~3）的行為差異，包括：

CPOL（時鐘空閑電平）

CPHA（數據采樣邊沿）

MOSI 數據什么時候改變

從機什么時候采樣數據

這四種模式是 SPI 協議中最核心也最容易混淆的部分。我現在徹底講明白它們的邏輯區別、時序差異、電平行為和通信節奏。

CPOL 與 CPHA 是什么含義？

CPOL：決定 SCK 在“空閑狀態”的電平（即不傳數據時 SCK 是高還是低）

CPOL = 0 → 空閑時 SCK = 低電平

CPOL = 1 → 空閑時 SCK = 高電平

CPHA：決定 在哪一個邊沿采樣數據

CPHA = 0 → 第一個邊沿采樣

CPHA = 1 → 第二個邊沿采樣

注意：這里是邊沿，不是具體到上升沿還是下降沿，第一個邊沿可能是上升沿也可能是下降沿。

第一個邊沿 = 從空閑態開始的第一個跳變（比如 CPOL=0，SCK 從 0→1 是第一個邊沿）

我以發送一個字節數據（0xA5 = 10100101）為例，分析 SPI 每一位是如何傳輸的。

Step by Step 時序過程（?SPI Mode 0 ）

通信準備階段：
主機將 CS 拉低，激活目標從機（W25Q64）

數據準備完畢，等待時鐘同步

第一位傳輸（發送 bit 7：1）

主機將 MOSI 設置為 1

主機將 SCK 從低拉高（上升沿）

從機在上升沿采樣 MOSI 上的值（記錄 bit7=1）

主機將 SCK 拉低，完成本位傳輸

第二位傳輸（bit6 = 0）

主機將 MOSI=0

SCK 上升沿

從機采樣 0

SCK 下降沿結束

重復 8 次后，完整發送 1 字節

發送完后，主機將 CS 拉高，表示結束通信

若是讀取數據，主機會在每一位 SCK 上升沿讀 MISO 上的電平

SPI Mode 1（CPOL = 0，CPHA = 1）

空閑時 SCK 為低，采樣在下降沿，數據改變在上升沿

通信準備階段：
主機將 CS 拉低，激活目標從機（W25Q64）

SCK 處于空閑低電平（CPOL = 0）

數據準備完畢，等待時鐘同步

第一位傳輸（發送 bit7 = 1）

主機將 SCK 拉高（上升沿）

主機將 MOSI 設置為 1

主機將 SCK 拉低（下降沿）

從機在 下降沿采樣 MOSI 上的值（記錄 bit7 = 1）

第二位傳輸（bit6 = 0）

主機將 SCK 拉高

主機將 MOSI 設置為 0

主機將 SCK 拉低

從機在下降沿采樣 0

重復 8 次后，完整發送 1 字節

主機將 CS 拉高，表示通信結束

若是讀取數據：
主機會在 每一位的 SCK 下降沿 讀取 MISO 上的電平

?SPI Mode 2（CPOL = 1，CPHA = 0）

空閑時 SCK 為高，采樣在下降沿，數據改變在上升沿

通信準備階段：
主機將 CS 拉低，激活目標從機

SCK 初始為高電平（CPOL = 1）

數據準備完畢，等待同步

第一位傳輸（bit7 = 1）

主機將 MOSI 設置為 1

主機將 SCK 從高拉低（下降沿）

從機在 下降沿采樣 MOSI = 1

主機將 SCK 拉高（恢復空閑）

第二位傳輸（bit6 = 0）

主機將 MOSI = 0

主機將 SCK 拉低

從機采樣 0

主機將 SCK 拉高

重復 8 次后，完整發送 1 字節

主機將 CS 拉高，結束通信

若是讀取數據：
主機會在 每一位 SCK 下降沿 讀取 MISO 電平

SPI Mode 3（CPOL = 1，CPHA = 1）

空閑時 SCK 為高，采樣在上升沿**，數據改變在下降沿

通信準備階段：
主機將 CS 拉低，激活從機

SCK 初始為高電平（CPOL = 1）

數據準備完畢，等待同步

第一位傳輸（bit7 = 1）

主機將 SCK 拉低

主機將 MOSI 設置為 1

主機將 SCK 從低拉高（上升沿）

從機在 上升沿采樣 MOSI = 1

第二位傳輸（bit6 = 0）

主機將 SCK 拉低

主機將 MOSI 設置為 0

主機將 SCK 拉高

從機采樣 0

重復 8 次后，完整發送 1 字節

主機將 CS 拉高，結束通信

若是讀取數據：
主機會在 每一位 SCK 上升沿 讀取 MISO 電平

W25Q64 是什么？

W25Q64 是一款 64M-bit（8MB）SPI NOR Flash 存儲芯片，常用于存儲配置文件、圖片、數據日志等。它支持：

SPI Mode 0/3 接口

支持標準讀、頁寫、扇區擦除等

支持寫保護、掉電保護

多種容量（如 Q32、Q64、Q128）

W25Q64 內部結構概覽

寫數據前必須先擦除所在頁或扇區！否則寫入無效。寫數據前必須先擦除所在頁或扇區！否則寫入無效。

W25Q64 使用的 SPI 協議模式

默認使用 SPI Mode 0（CPOL = 0，CPHA = 0）

通信速率支持高達 80MHz（我們軟件模擬約幾十 KHz）

通信格式：主機發送 命令 + 地址 + 數據，從機響應結果或接收寫入

4.舉一個SPI讀寫W25Q64（軟件）例子

從 STM32F103 使用 GPIO 模擬 SPI 信號，實現：

初始化 GPIO

與 W25Q64 通信（讀ID、擦除扇區、寫數據、讀數據）

OLED 顯示驗證數據讀寫是否成功

通信的整體邏輯步驟（功能流程）

初始化 SPI 引腳（MySPI_Init）

啟動 SPI 通信（CS 拉低，MySPI_Start）

發送命令（如讀 ID，擦除、寫數據）

可選：寫入地址或數據內容

讀取或寫入數據

結束通信（CS 拉高，MySPI_Stop）

在 OLED 上顯示通信結果

第一階段：軟件 SPI 的本質與引腳配置

SPI 是什么？
SPI 是一種同步串行通信協議，使用 4 根信號線：

CS：片選（低電平有效）

SCK：時鐘，由主機控制

MOSI：主出從入，主機發給從機

MISO：主入從出，從機回應主機

在 Mode 0 模式下（CPOL=0，CPHA=0）：

SCK 空閑為低電平

在 SCK 上升沿采樣輸入數據（MISO）

MOSI 數據必須在 SCK 上升沿前準備好

軟件模擬 SPI 的基本操作函數

模擬 SPI 片選信號 CS（/SS）

void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}

使用 PA4 模擬 SPI 的 CS（Chip Select）信號線

BitValue = 0 表示選中從機（W25Q64）

BitValue = 1 表示釋放從機

W25Q64 是在 CS 低電平有效 時才響應 SPI 命令。這個函數用于 SPI 通信的開始與結束。

模擬時鐘線 SCK

void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);
}

使用 PA5 模擬 SPI 的時鐘線 SCK（Serial Clock）

SPI 模式 0 規定：空閑時為低電平，在 上升沿采樣

?模擬 MOSI 輸出

uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
}

使用 PA7 作為 MOSI（主出從入）

STM32 控制這根線向 W25Q64 發送數據位（高位先發）

?引腳初始化：MySPI_Init引腳初始化：?

模擬讀取 MISO（主入從出）

void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);
}

使用 PA6 作為 MISO，從 W25Q64 讀取回來的每一位數據就在這里被讀取。

讀取的是從機在時鐘上升沿送出的位電平。

// 1. 打開 GPIOA 的時鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 2. 配置 MOSI（PA7）、SCK（PA5）、CS（PA4）為推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 3. 配置 MISO（PA6）為上拉輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 4. 初始狀態：SS = 1 表示未選中，SCK = 0 表示時鐘空閑
MySPI_W_SS(1);
MySPI_W_SCK(0);

推挽能拉高/拉低，速度快，適合 SPI?

SPI 通信控制函數

void MySPI_Start(void)
{MySPI_W_SS(0);   // 選中從機（CS 拉低）
}
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_W_SS(1);   // 釋放從機（CS 拉高）
}

第二階段：模擬傳輸一個字節的過程（MySPI_SwapByte）

實現原理
SPI 每傳輸 1 個字節（8 位）：

每一位數據在 MOSI 上輸出（主機發）

在 SCK 上升沿讓從機采樣（主出）

同時主機也在上升沿讀取 MISO（主入）

uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{uint8_t i, ByteReceive = 0x00;for (i = 0; i < 8; i++){// 第 i 位：先將 MOSI 輸出（最高位先）MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));  // 將第 i 位送到 MOSIMySPI_W_SCK(1); // SCK 拉高（上升沿）// 在上升沿采樣 MISO 線，主機讀取從機的回應位if (MySPI_R_MISO() == 1) ByteReceive |= (0x80 >> i);MySPI_W_SCK(0); // SCK 拉低，準備下一位}return ByteReceive;
}

初始化變量：i 為循環索引；ByteReceive 用來存儲收到的數據。?

例如 ByteSend = 0b10100001

第一次發送 bit7：ByteSend & 0x80 = 0x80

輸出對應位電平到 MOSI

SPI Mode 0：從機在 SCK 上升沿采樣數據

主機此時也應從 MISO 線上采樣數據

若當前位為高電平，則置 ByteReceive 的對應位為 1

第三階段：JEDEC ID 的讀取過程（讀取芯片型號）

第三階段：JEDEC ID 的讀取過程（讀取芯片型號）

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{MySPI_Start();                  // CS = 0，激活 FlashMySPI_SwapByte(0x9F);           // 發送 JEDEC ID 指令*MID = MySPI_SwapByte(0x00);    // 接收廠商 ID（通常為 0xEF）*DID = MySPI_SwapByte(0x00);    // 高位 Device ID（如 0x40）*DID <<= 8;*DID |= MySPI_SwapByte(0x00);   // 低位 Device ID（如 0x17）MySPI_Stop();                   // CS = 1，結束通信}

?每個字節都通過 MySPI_SwapByte() 傳輸，從機 MISO 返回對應 ID 信息。

第四階段：擦除操作（扇區擦除）

寫使能

void W25Q64_WriteEnable(void)
{MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE); // 0x06MySPI_Stop();
}

?所有寫操作前必須執行該命令。否則寫入失敗。

等待芯片空閑

void W25Q64_WaitBusy(void)
{uint32_t Timeout;MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1); // 0x05，讀取狀態寄存器Timeout = 100000;while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01) // bit0=WIP=1表示忙{Timeout --;if (Timeout == 0) break;}MySPI_Stop();
}

為什么要擦除？
W25Q64 的 NOR Flash 寫入特性：

不能直接改寫為 0 → 1

必須先將 1 全部清零（擦除為 0xFF），才能寫入

void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{W25Q64_WriteEnable();          // 必須先寫使能（WEL=1）MySPI_Start();                 // CS = 0MySPI_SwapByte(0x20);          // 發送擦除指令：Sector EraseMySPI_SwapByte(addr >> 16);    // 地址高8位MySPI_SwapByte(addr >> 8);     // 地址中8位MySPI_SwapByte(addr);          // 地址低8位MySPI_Stop();                  // CS = 1W25Q64_WaitBusy();             // 等待擦除完成（最多100ms）}

地址不需要對齊 0x000；芯片內部按地址所在扇區處理（每 4KB 為一個）

第五階段：寫入數據（頁寫）

寫前必須：
寫使能（0x06）

地址不要跨頁（每頁 256 字節）

void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{W25Q64_WriteEnable();               // 打開寫使能（WEL=1）MySPI_Start();                      // 開始通信MySPI_SwapByte(0x02);               // Page Program 指令MySPI_SwapByte(addr >> 16);         // 地址高8位MySPI_SwapByte(addr >> 8);          // 地址中8位MySPI_SwapByte(addr);               // 地址低8位for (i = 0; i < Count; i++){MySPI_SwapByte(DataArray[i]);   // 發送要寫入的數據（MOSI）}MySPI_Stop();                       // 結束通信W25Q64_WaitBusy();                  // 等待寫入完成}

第六階段：讀取數據（Read Data）

void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{MySPI_Start();MySPI_SwapByte(0x03);                // Read Data 指令MySPI_SwapByte(addr >> 16);          // 地址高8位MySPI_SwapByte(addr >> 8);           // 中8位MySPI_SwapByte(addr);                // 低8位for (i = 0; i < Count; i++){DataArray[i] = MySPI_SwapByte(0x00); // 每讀取一個字節，發一個 dummy byte}MySPI_Stop();}

?主機在 每個 SCK 上升沿讀取 MISO，從機按地址返回數據。

?5.指令函數

#ifndef __W25Q64_INS_H
#define __W25Q64_INS_H#define W25Q64_WRITE_ENABLE							0x06
#define W25Q64_WRITE_DISABLE						0x04
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1				0x05
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_2				0x35
#define W25Q64_WRITE_STATUS_REGISTER				0x01
#define W25Q64_PAGE_PROGRAM							0x02
#define W25Q64_QUAD_PAGE_PROGRAM					0x32
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_64KB						0xD8
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_32KB						0x52
#define W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB						0x20
#define W25Q64_CHIP_ERASE							0xC7
#define W25Q64_ERASE_SUSPEND						0x75
#define W25Q64_ERASE_RESUME							0x7A
#define W25Q64_POWER_DOWN							0xB9
#define W25Q64_HIGH_PERFORMANCE_MODE				0xA3
#define W25Q64_CONTINUOUS_READ_MODE_RESET			0xFF
#define W25Q64_RELEASE_POWER_DOWN_HPM_DEVICE_ID		0xAB
#define W25Q64_MANUFACTURER_DEVICE_ID				0x90
#define W25Q64_READ_UNIQUE_ID						0x4B
#define W25Q64_JEDEC_ID								0x9F
#define W25Q64_READ_DATA							0x03
#define W25Q64_FAST_READ							0x0B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_OUTPUT				0x3B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_IO					0xBB
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_OUTPUT				0x6B
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_IO					0xEB
#define W25Q64_OCTAL_WORD_READ_QUAD_IO				0xE3#define W25Q64_DUMMY_BYTE							0xFF#endif

6.main函數

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"uint8_t MID;
uint16_t DID;uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t ArrayRead[4];int main(void)
{OLED_Init();W25Q64_Init();OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");OLED_ShowString(2, 1, "W:");OLED_ShowString(3, 1, "R:");W25Q64_ReadID(&MID, &DID);OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2);OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4);W25Q64_SectorErase(0x000000);W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4);W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4);OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2);OLED_ShowHexNum(2, 6, ArrayWrite[1], 2);OLED_ShowHexNum(2, 9, ArrayWrite[2], 2);OLED_ShowHexNum(2, 12, ArrayWrite[3], 2);OLED_ShowHexNum(3, 3, ArrayRead[0], 2);OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);while (1){}
}

擦除第一個扇區（地址 0x000000 起始的 4KB）

NOR Flash 寫入前必須擦除，否則無法從 0 改寫為 1！（擦除后，所有數據位變為1）

7.SPI通信與I2C區別

具體外設舉例?