SPI (Serial Peripheral Interface) 是一种高性能、全双工、同步串行通信协议，由 Motorola 公司在 1980 年代中期开发。它主要用于在微控制器 (Master) 和各种外设 (Slave) 之间进行短距离、高速的数据交换。SPI 协议因其简单、灵活和高速的特点，在闪存、EEPROM、传感器、实时时钟、LCD 驱动器等众多嵌入式应用中得到了广泛应用。

核心思想：基于四条线（SCLK、MOSI、MISO、CS）实现同步全双工通信，Master 驱动时钟，并通过 CS 选择 Slave。 速度快，但线材多且不具备地址分配能力。

一、SPI 协议概述

SPI 是一种主从式 (Master-Slave) 架构的通信协议，通常有一个主设备 (Master) 和一个或多个从设备 (Slave)。

  • 主设备 (Master)：负责启动和控制通信，提供时钟信号。
  • 从设备 (Slave)：在主设备的控制下进行数据传输。

主要特点：

  1. 全双工 (Full-Duplex)：主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
  2. 同步 (Synchronous)：通信由一个共享的时钟信号 (SCLK) 进行同步。
  3. 串行 (Serial)：数据一位一位地传输。
  4. 接口简单：通常只需 4 根线。
  5. 高速：通常比 I2C 和 UART 快。

二、SPI 接口的四条线

SPI 通信通常需要四根物理线路：

  1. SCLK (Serial Clock)：串行时钟线。由 Master 生成，用于同步数据传输。所有 Slave 都会连接到同一根 SCLK 线。
  2. MOSI (Master Output, Slave Input)：主设备输出，从设备输入线。Master 在这条线上发送数据给 Slave。
  3. MISO (Master Input, Slave Output)：主设备输入，从设备输出线。Slave 在这条线上发送数据给 Master。
  4. CS/SS (Chip Select / Slave Select)：片选线 / 从设备选择线。由 Master 控制，用于选择哪个 Slave 处于激活状态。通常是低电平有效。在多 Slave 情况下，每个 Slave 都需要独立的一条 CS 线。

SPI 连接示意图:

三、SPI 数据传输过程

SPI 数据传输是基于移位寄存器实现的，一位一位地传输。

  1. 选择从设备：Master 将目标 Slave 的 CS 线拉低，使该 Slave 处于激活状态。
  2. 时钟驱动：Master 开始在 SCLK 线上生成时钟脉冲。
  3. 数据交换：在每个时钟周期：
    • Master 通过 MOSI 线发送 1 位数据给选中的 Slave。
    • 选中的 Slave 通过 MISO 线发送 1 位数据给 Master。
    • 数据通常是高位在前 (MSB First)，也可以配置为低位在前 (LSB First)。
  4. 完成传输：当传输完一个字节或多个字节后，Master 可以将 CS 线拉高，结束与当前 Slave 的通信。

SPI 数据传输时序图 (CPOL=0, CPHA=0 示例):

更详细的时序图 (波形):

(注：Mermaid 对复杂波形图支持有限，此处仅为简化示意。实际波形会展示数据位与时钟边沿的对应关系。)

四、SPI 模式 (Mode) 和时钟极性/相位 (CPOL/CPHA)

SPI 协议有四种工作模式，由两个参数定义：时钟极性 (CPOL) 和 时钟相位 (CPHA)。

  1. CPOL (Clock Polarity)：
    • CPOL = 0：SCLK 在空闲时为低电平。
    • CPOL = 1：SCLK 在空闲时为高电平。
  2. CPHA (Clock Phase)：
    • CPHA = 0：数据在 SCLK 的第一个边沿（下降沿或上升沿，取决于 CPOL）采样，并在第二个边沿传输。数据在时钟信号的上升沿被锁存，在下降沿被移出。
    • CPHA = 1：数据在 SCLK 的第二个边沿采样，并在第一个边沿传输。数据在时钟信号的下降沿被锁存，在上升沿被移出。

这四种模式很重要，因为 Master 和 Slave 必须使用相同的 SPI 模式才能正确通信。

SPI Mode CPOL CPHA 空闲时 SCLK 数据采样边沿 数据输出边沿 典型应用
Mode 0 0 0 低电平 上升沿 下降沿 最常用，如 SD 卡
Mode 1 0 1 低电平 下降沿 上升沿 多数微控制器
Mode 2 1 0 高电平 下降沿 上升沿 少数设备
Mode 3 1 1 高电平 上升沿 下降沿 少数设备

选择正确的 SPI 模式对于确保主从设备之间的数据能被正确采样至关重要。

五、SPI 的优缺点

5.1 优点：

  1. 高速全双工：数据传输速度快，且支持同时收发。
  2. 简单灵活：硬件实现简单，没有复杂的地址寻址机制，也无需起始位/停止位。
  3. 无地址限制：不需要为每个从设备分配一个唯一的地址。
  4. 硬件连接少：只需要 4 根线（对于单从设备）。
  5. 没有最大从设备数量限制：理论上只要 Master 有足够的 CS 线，就可以连接无限个从设备（实际受限于 Master 的 I/O 资源）。

5.2 缺点：

  1. 线材数量多：相较于 I2C (2 根线)，SPI 每多一个 Slave 就需要多一根 CS 线，布线变得复杂。
  2. 无标准协议：没有严格的标准来定义数据传输的格式或错误检测机制，需要由用户根据设备数据手册来定义。
  3. 距离限制：由于是高速、同步通信，总线长度受限于信号完整性，通常用于短距离通信。
  4. 没有应答机制：Master 发送数据后，不知道 Slave 是否已经收到或处理成功，需要更高层协议或额外的 GPIO 进行确认。

六、SPI 的应用场景

由于其高速和简单性，SPI 在嵌入式系统中非常流行：

  • 存储设备：闪存 (Flash Memory)、EEPROM。
  • 传感器：加速度计、陀螺仪、温度传感器、压力传感器等。
  • 显示设备：LCD 控制器、OLED 显示屏。
  • 实时时钟 (RTC)。
  • ADC (模数转换器) 和 DAC (数模转换器)。
  • 外部通信模块：WiFi 模块、以太网控制器。
  • SD 卡读写。

七、SPI 编程示例 (Arduino / Go - TinyGo)

7.1 Arduino (C++) 示例

Arduino IDE 为 SPI 通信提供了方便的 SPI 库。

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#include <SPI.h>

// SPI 设备通常有一个 CS 引脚，这里假设连接到 GPIO5
const int CS_PIN = 5;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(CS_PIN, OUTPUT); // CS 引脚设置为输出
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 默认拉高 CS，取消选择设备

  // 初始化 SPI 总线
  // SPI.begin() 使用默认的 SPI 引脚 (例如 ESP32: SCK=18, MISO=19, MOSI=23)
  // 或者使用 SPI.begin(sck_pin, miso_pin, mosi_pin, ss_pin) 自定义引脚
  SPI.begin();

  // 设置 SPI 通信参数：
  // MOSI MSB 先传，时钟频率，SPI Mode (0-3)
  // 许多设备使用 SPI_MODE0
  SPI.beginTransaction(SPISettings(1000000, MSBFIRST, SPI_MODE0)); // 1MHz, MSB First, Mode 0
}

void loop() {
  byte dataToSend = 0xAA; // 要发送给从设备的数据
  byte receivedData;      // 从设备返回的数据

  digitalWrite(CS_PIN, LOW); // 拉低 CS，选择从设备
  receivedData = SPI.transfer(dataToSend); // 发送数据并同时接收数据
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 拉高 CS，取消选择从设备

  Serial.print("Sent: 0x");
  Serial.print(dataToSend, HEX);
  Serial.print(", Received: 0x");
  Serial.println(receivedData, HEX);

  delay(1000);
}

7.2 TinyGo (Go) on ESP32 示例

TinyGo 同样提供了 machine 包来控制 SPI 外设。

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package main

import (
	"machine"
	"time"
)

// 定义 SPI 通信的引脚
const (
	SPI_SCK  = machine.GPIO18 // 默认 SCK 引脚
	SPI_MOSI = machine.GPIO23 // 默认 MOSI 引脚
	SPI_MISO = machine.GPIO19 // 默认 MISO 引脚
	CS_PIN   = machine.GPIO5
)

var (
	spi = machine.SPI0 // 使用 SPI0 接口
	cs  = machine.Pin(CS_PIN)
)

func main() {
	machine.InitSerial() // 初始化串口用于调试输出

	cs.Configure(machine.PinConfig{Mode: machine.PinOutput}) // 配置 CS 为输出
	cs.High() // 默认拉高 CS

	// 配置 SPI 外设
	// 参数：SCK, MOSI, MISO
	// 这里使用 ESP32 的硬件 SPI 引脚
	spi.Configure(machine.SPIConfig{
		SCK:       SPI_SCK,
		MOSI:      SPI_MOSI,
		MISO:      SPI_MISO,
		Frequency: 1000 * 1000, // 1MHz
		// Mode 0: CPOL=0, CPHA=0。TinyGo 默认是 Mode 0
	})

	for {
		dataToSend := []byte{0xAA} // 要发送的字节数组
		receivedData := make([]byte, 1) // 接收数据的缓冲区

		cs.Low() // 拉低 CS，选择从设备
		// 读写数据：发送 dataToSend，并将接收到的数据存入 receivedData
		err := spi.Tx(dataToSend, receivedData)
		if err != nil {
			println("SPI_TX_Error:", err.Error())
		}
		cs.High() // 拉高 CS，取消选择从设备

		println("Sent:", byteToHex(dataToSend[0]), "Received:", byteToHex(receivedData[0]))

		time.Sleep(time.Second)
	}
}

// 辅助函数：将 byte 转换为十六进制字符串
func byteToHex(b byte) string {
	hex := "0123456789ABCDEF"
	return "0x" + string(hex[b>>4]) + string(hex[b&0x0F])
}

八、总结

SPI 协议以其高速、全双工和硬件实现简单等特点，成为嵌入式系统中连接各种外设的理想选择。理解其四线接口、四种工作模式以及 CS 片选机制是成功搭建 SPI 通信的基础。尽管它不像 I2C 那样节省引脚，也缺乏内置的地址寻址和应答机制，但对于需要高性能、可靠短距离通信的应用而言，SPI 仍然是首选协议之一。在进行 SPI 开发时，务必仔细查阅设备的文档，确保主从设备的 SPI 模式设置一致。