SPI的起源
SPI接口最早由Motorola（现为NXP）公司提出，用于处理器与外围设备之间的高速数据传输。由于其简单、高效、低资源占用的特点，迅速被广泛采用，成为嵌入式系统中最常见的通信协议之一。
SPI的信号传输模式
SPI采用主从架构（Master-Slave），通常由一个主机（Master）控制一个或多个从机（Slave）。通信方式基于全双工数据传输，主要包含以下信号线：
- SCLK（Serial Clock，串行时钟）： 由主机提供的时钟信号，控制数据传输速率。
- MOSI（Master Out Slave In，主输出从输入）： 主机发送数据到从机的信号线。
- MISO（Master In Slave Out，主输入从输出）： 从机发送数据到主机的信号线。
- CS/SS（Chip Select/Slave Select，片选信号）： 低电平使能，从机通过此信号识别是否与主机通信。
三线的SPI模式通常省略CS/SS，在电路上使其一直处于使能状态。
SPI的四种模式（时钟极性和相位）
SPI通信由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）决定，共有4种模式：
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲时钟状态 | 采样时间 |
|---|---|---|---|---|
| Mode 0 | 0 | 0 | 低电平 | 下降沿采样 |
| Mode 1 | 0 | 1 | 低电平 | 上升沿采样 |
| Mode 2 | 1 | 0 | 高电平 | 上升沿采样 |
| Mode 3 | 1 | 1 | 高电平 | 下降沿采样 |
不同的SPI设备可能使用不同模式，使用时需匹配主从设备的SPI模式。
SPI的电器参数
SPI的电气特性因设备不同而有所差异，主要关注以下参数：
- 工作电压（Vcc）： 通常为3.3V或5V。
- 时钟频率（SCLK）： 取决于主机和从机的支持能力，典型范围从几百kHz到几十MHz。
- 逻辑电平： 通常符合CMOS/TTL标准，高低电平阈值应与系统电源电压匹配。
- 上拉/下拉电阻： 片选（CS）引脚通常需要上拉，确保未选中时维持高电平。
SPI的应用设计
典型应用场景
- 传感器接口：如加速度计（MPU6050）、温湿度传感器等。
- 存储设备：如Flash（W25QXX系列）、EEPROM（AT25系列）。
- 显示屏：如OLED、LCD（ST7789、ILI9341）。
- 通信模块：如WiFi、LoRa、RFID等无线通信模块。
常见问题及解决方案
| 问题 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 无法通信 | 时钟极性/相位不匹配 | 确保主从模式一致 |
| 传输数据错误 | 信号完整性问题、时钟速率过高 | 降低SCLK频率，检查信号质量 |
| 片选异常 | 片选信号干扰或未正确拉高/拉低 | 适当添加上拉电阻 |
| 多从机通信混乱 | CS信号冲突 | 确保仅一个从机CS有效 |
| 数据错位 | 时钟和数据采样时序不匹配 | 校准CPOL和CPHA设置 |