在了解完I2C通信后，不免会接触到到SPI通信。而一开始，可能会觉得两者好似没什么区别。为什么要学SPI呢，I2C和SPI有什么区别呢。为此我详细展开说说。

1.什么是 SPI？

SPI，全称 Serial Peripheral Interface，中文翻译为串行外设接口，是一种 主从式、同步、全双工 的串行通信协议。

三个关键词：
主从式：一个主机控制多个从设备（主发起，从响应）

同步式：数据传输由时钟信号（SCK）控制同步

全双工：可以边发送边接收，MOSI/MISO 两条独立数据线

2.SPI 的 4 根基本信号线结构

注意：

SCK、MOSI、CS 都是主机控制输出；

MISO 是主机读取输入；

SPI 是一种基于边沿的协议 —— 数据变化和数据采样都是“在时钟跳变沿发生”。

3.SPI 是怎么工作的？（核心机制）

接下来我来对比 SPI 四种模式（Mode 0~3）的行为差异，包括：

CPOL（时钟空闲电平）

CPHA（数据采样边沿）

MOSI 数据什么时候改变

从机什么时候采样数据

这四种模式是 SPI 协议中最核心也最容易混淆的部分。我现在彻底讲明白它们的逻辑区别、时序差异、电平行为和通信节奏。

CPOL 与 CPHA 是什么含义？

CPOL：决定 SCK 在“空闲状态”的电平（即不传数据时 SCK 是高还是低）

CPOL = 0 → 空闲时 SCK = 低电平

CPOL = 1 → 空闲时 SCK = 高电平

CPHA：决定 在哪一个边沿采样数据

CPHA = 0 → 第一个边沿采样

CPHA = 1 → 第二个边沿采样

注意：这里是边沿，不是具体到上升沿还是下降沿，第一个边沿可能是上升沿也可能是下降沿。

第一个边沿 = 从空闲态开始的第一个跳变（比如 CPOL=0，SCK 从 0→1 是第一个边沿）

我以发送一个字节数据（0xA5 = 10100101）为例，分析 SPI 每一位是如何传输的。

Step by Step 时序过程（ SPI Mode 0 ）

通信准备阶段：
主机将 CS 拉低，激活目标从机（W25Q64）

数据准备完毕，等待时钟同步

第一位传输（发送 bit 7：1）

主机将 MOSI 设置为 1

主机将 SCK 从低拉高（上升沿）

从机在上升沿采样 MOSI 上的值（记录 bit7=1）

主机将 SCK 拉低，完成本位传输

第二位传输（bit6 = 0）

主机将 MOSI=0

SCK 上升沿

从机采样 0

SCK 下降沿结束

重复 8 次后，完整发送 1 字节

发送完后，主机将 CS 拉高，表示结束通信

若是读取数据，主机会在每一位 SCK 上升沿读 MISO 上的电平

SPI Mode 1（CPOL = 0，CPHA = 1）

空闲时 SCK 为低，采样在下降沿，数据改变在上升沿

通信准备阶段：
主机将 CS 拉低，激活目标从机（W25Q64）

SCK 处于空闲低电平（CPOL = 0）

数据准备完毕，等待时钟同步

第一位传输（发送 bit7 = 1）

主机将 SCK 拉高（上升沿）

主机将 MOSI 设置为 1

主机将 SCK 拉低（下降沿）

从机在 下降沿采样 MOSI 上的值（记录 bit7 = 1）

第二位传输（bit6 = 0）

主机将 SCK 拉高

主机将 MOSI 设置为 0

主机将 SCK 拉低

从机在下降沿采样 0

重复 8 次后，完整发送 1 字节

主机将 CS 拉高，表示通信结束

若是读取数据：
主机会在 每一位的 SCK 下降沿 读取 MISO 上的电平

 SPI Mode 2（CPOL = 1，CPHA = 0）

空闲时 SCK 为高，采样在下降沿，数据改变在上升沿

通信准备阶段：
主机将 CS 拉低，激活目标从机

SCK 初始为高电平（CPOL = 1）

数据准备完毕，等待同步

第一位传输（bit7 = 1）

主机将 MOSI 设置为 1

主机将 SCK 从高拉低（下降沿）

从机在 下降沿采样 MOSI = 1

主机将 SCK 拉高（恢复空闲）

第二位传输（bit6 = 0）

主机将 MOSI = 0

主机将 SCK 拉低

从机采样 0

主机将 SCK 拉高

重复 8 次后，完整发送 1 字节

主机将 CS 拉高，结束通信

若是读取数据：
主机会在 每一位 SCK 下降沿 读取 MISO 电平

SPI Mode 3（CPOL = 1，CPHA = 1）

空闲时 SCK 为高，采样在上升沿**，数据改变在下降沿

通信准备阶段：
主机将 CS 拉低，激活从机

SCK 初始为高电平（CPOL = 1）

数据准备完毕，等待同步

第一位传输（bit7 = 1）

主机将 SCK 拉低

主机将 MOSI 设置为 1

主机将 SCK 从低拉高（上升沿）

从机在 上升沿采样 MOSI = 1

第二位传输（bit6 = 0）

主机将 SCK 拉低

主机将 MOSI 设置为 0

主机将 SCK 拉高

从机采样 0

重复 8 次后，完整发送 1 字节

主机将 CS 拉高，结束通信

若是读取数据：
主机会在 每一位 SCK 上升沿 读取 MISO 电平

W25Q64 是什么？

W25Q64 是一款 64M-bit（8MB）SPI NOR Flash 存储芯片，常用于存储配置文件、图片、数据日志等。它支持：

SPI Mode 0/3 接口

支持标准读、页写、扇区擦除等

支持写保护、掉电保护

多种容量（如 Q32、Q64、Q128）

W25Q64 内部结构概览

写数据前必须先擦除所在页或扇区！否则写入无效。写数据前必须先擦除所在页或扇区！否则写入无效。

W25Q64 使用的 SPI 协议模式

默认使用 SPI Mode 0（CPOL = 0，CPHA = 0）

通信速率支持高达 80MHz（我们软件模拟约几十 KHz）

通信格式：主机发送 命令 + 地址 + 数据，从机响应结果或接收写入

4.举一个SPI读写W25Q64（软件）例子

从 STM32F103 使用 GPIO 模拟 SPI 信号，实现：

初始化 GPIO

与 W25Q64 通信（读ID、擦除扇区、写数据、读数据）

OLED 显示验证数据读写是否成功

通信的整体逻辑步骤（功能流程）

初始化 SPI 引脚（MySPI_Init）

启动 SPI 通信（CS 拉低，MySPI_Start）

发送命令（如读 ID，擦除、写数据）

可选：写入地址或数据内容

读取或写入数据

结束通信（CS 拉高，MySPI_Stop）

在 OLED 上显示通信结果

第一阶段：软件 SPI 的本质与引脚配置

SPI 是什么？
SPI 是一种同步串行通信协议，使用 4 根信号线：

CS：片选（低电平有效）

SCK：时钟，由主机控制

MOSI：主出从入，主机发给从机

MISO：主入从出，从机回应主机

在 Mode 0 模式下（CPOL=0，CPHA=0）：

SCK 空闲为低电平

在 SCK 上升沿采样输入数据（MISO）

MOSI 数据必须在 SCK 上升沿前准备好

软件模拟 SPI 的基本操作函数

模拟 SPI 片选信号 CS（/SS）

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

使用 PA4 模拟 SPI 的 CS（Chip Select）信号线

BitValue = 0 表示选中从机（W25Q64）

BitValue = 1 表示释放从机

W25Q64 是在 CS 低电平有效 时才响应 SPI 命令。这个函数用于 SPI 通信的开始与结束。

模拟时钟线 SCK

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

使用 PA5 模拟 SPI 的时钟线 SCK（Serial Clock）

SPI 模式 0 规定：空闲时为低电平，在 上升沿采样

 模拟 MOSI 输出

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

使用 PA7 作为 MOSI（主出从入）

STM32 控制这根线向 W25Q64 发送数据位（高位先发）

 引脚初始化：MySPI_Init引脚初始化： 

模拟读取 MISO（主入从出）

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

使用 PA6 作为 MISO，从 W25Q64 读取回来的每一位数据就在这里被读取。

读取的是从机在时钟上升沿送出的位电平。

// 1. 打开 GPIOA 的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 2. 配置 MOSI（PA7）、SCK（PA5）、CS（PA4）为推挽输出
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）为上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 4. 初始状态：SS = 1 表示未选中，SCK = 0 表示时钟空闲
MySPI_W_SS(1);
MySPI_W_SCK(0);

推挽能拉高/拉低，速度快，适合 SPI 

SPI 通信控制函数

void MySPI_Start(void)
{MySPI_W_SS(0);   // 选中从机（CS 拉低）
}
void MySPI_Stop(void)
{MySPI_W_SS(1);   // 释放从机（CS 拉高）
}

第二阶段：模拟传输一个字节的过程（MySPI_SwapByte）

实现原理
SPI 每传输 1 个字节（8 位）：

每一位数据在 MOSI 上输出（主机发）

在 SCK 上升沿让从机采样（主出）

同时主机也在上升沿读取 MISO（主入）

uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{uint8_t i, ByteReceive = 0x00;for (i = 0; i < 8; i++){// 第 i 位：先将 MOSI 输出（最高位先）MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));  // 将第 i 位送到 MOSIMySPI_W_SCK(1); // SCK 拉高（上升沿）// 在上升沿采样 MISO 线，主机读取从机的回应位if (MySPI_R_MISO() == 1) ByteReceive |= (0x80 >> i);MySPI_W_SCK(0); // SCK 拉低，准备下一位}return ByteReceive;
}

初始化变量：i 为循环索引；ByteReceive 用来存储收到的数据。 

例如 ByteSend = 0b10100001

第一次发送 bit7：ByteSend & 0x80 = 0x80

输出对应位电平到 MOSI

SPI Mode 0：从机在 SCK 上升沿采样数据

主机此时也应从 MISO 线上采样数据

若当前位为高电平，则置 ByteReceive 的对应位为 1

第三阶段：JEDEC ID 的读取过程（读取芯片型号）

第三阶段：JEDEC ID 的读取过程（读取芯片型号）

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{MySPI_Start();                  // CS = 0，激活 FlashMySPI_SwapByte(0x9F);           // 发送 JEDEC ID 指令*MID = MySPI_SwapByte(0x00);    // 接收厂商 ID（通常为 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，结束通信}

 每个字节都通过 MySPI_SwapByte() 传输，从机 MISO 返回对应 ID 信息。

第四阶段：擦除操作（扇区擦除）

写使能

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

 所有写操作前必须执行该命令。否则写入失败。

等待芯片空闲

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

为什么要擦除？
W25Q64 的 NOR Flash 写入特性：

不能直接改写为 0 → 1

必须先将 1 全部清零（擦除为 0xFF），才能写入

void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{W25Q64_WriteEnable();          // 必须先写使能（WEL=1）MySPI_Start();                 // CS = 0MySPI_SwapByte(0x20);          // 发送擦除指令：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）}

地址不需要对齐 0x000；芯片内部按地址所在扇区处理（每 4KB 为一个）

第五阶段：写入数据（页写）

写前必须：
写使能（0x06）

地址不要跨页（每页 256 字节）

void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{W25Q64_WriteEnable();               // 打开写使能（WEL=1）MySPI_Start();                      // 开始通信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]);   // 发送要写入的数据（MOSI）}MySPI_Stop();                       // 结束通信W25Q64_WaitBusy();                  // 等待写入完成}

第六阶段：读取数据（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); // 每读取一个字节，发一个 dummy byte}MySPI_Stop();}

 主机在 每个 SCK 上升沿读取 MISO，从机按地址返回数据。

 5.指令函数

#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函数

#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){}
}

擦除第一个扇区（地址 0x000000 起始的 4KB）

NOR Flash 写入前必须擦除，否则无法从 0 改写为 1！（擦除后，所有数据位变为1）

7.SPI通信与I2C区别

具体外设举例