一、介绍

SPI总线（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速全双工同步串行通信总线，核心通过“主从架构+同步时钟”实现设备间数据传输，因结构简单、速率高，广泛用于MCU与传感器、存储芯片、显示模块等外设的短距通信。

二、核心架构：

主从控制，4线基础

SPI总线采用“一主多从”模式，所有设备共享时钟和数据线，通过片选信号区分不同从设备，基础通信需4根信号线（部分场景可简化），各线功能如下：

- SCLK（Serial Clock，串行时钟）：由主设备（Master） 产生，用于同步主从设备的数据传输节奏，是“同步通信”的核心；

- MOSI（Master Out, Slave In，主出从入）：主设备向从设备发送数据的单向信号线；

- MISO（Master In, Slave Out，主入从出）：从设备向主设备返回数据的单向信号线；

- SS/CS（Slave Select/Chip Select，从设备选择）：主设备通过拉低某一从设备的SS引脚，单独选中该设备（未被选中的从设备SS引脚为高电平，不响应总线通信），是“多从设备区分”的关键。

三、通信原理：同步时钟下的“位同步传输”

SPI的核心是“时钟同步数据”，主设备通过SCLK控制每一位数据的传输时机，主从设备在时钟的特定边沿（上升沿/下降沿）采样或发送数据，整个过程可分为3个关键步骤：

1. 选中从设备：主设备拉低目标从设备的SS引脚

主设备要与某一从设备通信时，首先将该从设备的SS引脚拉低（低电平有效，部分设备支持高电平有效，需硬件定义），此时其他从设备的SS引脚保持高电平，处于“休眠状态”，不接收总线上的SCLK和MOSI信号。

2. 同步传输：时钟边沿触发数据读写

主设备产生SCLK时钟信号，主从设备在时钟的预设边沿（由“时钟极性（CPOL）”和“时钟相位（CPHA）”定义）同步完成数据传输：

- 主设备在SCLK的某一边沿（如上升沿）将MOSI线的“1位数据”输出，从设备在同一边沿读取该数据；

- 同时，从设备在SCLK的另一边沿（如下降沿）将MISO线的“1位数据”输出，主设备在同一边沿读取该数据；

- 每一个SCLK周期传输1位数据，8个SCLK周期即可完成1字节（8位）数据的“全双工传输”（主→从、从→主同时进行）。

3. 结束通信：主设备拉高SS引脚

数据传输完成后，主设备将该从设备的SS引脚拉高，从设备退出通信状态，总线释放，可准备与下一个从设备通信。

四、关键参数：

CPOL与CPHA决定通信时序

SPI的通信时序由“时钟极性（CPOL）”和“时钟相位（CPHA）”两个参数定义，共4种组合（即4种“SPI模式”），主从设备必须使用相同的模式才能正常通信：

- CPOL（时钟极性）：定义SCLK在“空闲状态”（无数据传输时）的电平：

- CPOL=0：空闲时SCLK为低电平；

- CPOL=1：空闲时SCLK为高电平。

- CPHA（时钟相位）：定义“数据采样”发生在SCLK的第几个边沿：

- CPHA=0：数据在SCLK的“第一个边沿”（CPOL=0时为上升沿，CPOL=1时为下降沿）采样；

- CPHA=1：数据在SCLK的“第二个边沿”（CPOL=0时为下降沿，CPOL=1时为上升沿）采样。

五、核心特性：优势与局限

1. 优势：高速、灵活、全双工

- 高速传输：无起始位/停止位（区别于UART），仅需时钟同步，速率可达几Mbps到几十Mbps（取决于硬件支持）；

- 全双工：MOSI和MISO独立，主从可同时收发数据，适合需要双向高速通信的场景（如SD卡、SPI Flash）；

- 多从扩展：通过增加SS引脚，主设备可连接多个从设备，硬件结构简单（无需地址线，仅需1根SS对应1个从设备）。

2. 局限：短距、无硬件校验

- 传输距离短：因采用单端信号（无差分抗干扰设计），抗干扰能力弱，通常传输距离不超过10米，仅适合板内或板间短距通信；

- 无硬件校验：总线本身不自带奇偶校验或CRC校验，数据可靠性需通过软件协议（如添加校验位）保障；

- 主从依赖：从设备无法主动发起通信，必须由主设备控制，不适合需要从设备主动上报数据的场景（如传感器实时报警）。

六、总结

SPI总线的本质是“主设备主导的同步串行通信”，通过SCLK实现数据同步，用SS区分从设备，凭借高速全双工的优势成为短距外设通信的主流选择。实际应用中，需重点匹配主从设备的SS电平极性和SPI模式（CPOL/CPHA），同时通过软件校验弥补硬件无校验的不足，确保数据传输可靠。