【通信协议】SPI 串行外设接口（一篇掌握核心知识点）

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🧠 SPI 串行外设接口 —— 一文通吃常用知识点

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✅ 1. 什么是 SPI？

SPI（Serial Peripheral Interface） 是一种同步、全双工、主从式串行通信协议，用于 MCU 与外设（传感器、存储器、屏幕等）之间高速数据传输。

📌 特点：

• 由 Motorola 在 1980 年代提出
• 无起始/停止位，无校验位 → 速度快
• 通常 4 根线：SCLK、MOSI、MISO、SS/CS
• 适合板内短距离通信（< 10cm）

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✅ 2. SPI 四根核心信号线

信号	全称	方向	作用
SCLK	Serial Clock	主机 → 从机	时钟线，由主机产生，同步数据
MOSI	Master Out Slave In	主机 → 从机	主机发送数据给从机
MISO	Master In Slave Out	从机 → 主机	从机发送数据给主机
SS/CS	Slave Select / Chip Select	主机 → 从机	片选线，低电平选中从机

⚠️ 注意：有些设备支持“3线 SPI”（半双工，MOSI/MISO 合并），但标准是 4 线全双工。

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✅ 3. SPI 工作模式（4种）—— 必考重点！

由 CPOL（时钟极性） 和 CPHA（时钟相位） 决定：

模式	CPOL	CPHA	空闲电平	采样边沿	口诀
Mode 0	0	0	低电平	上升沿采样	✅ 最常用：“蹲着第一拍读”
Mode 1	0	1	低电平	下降沿采样	“蹲着第二拍读”
Mode 2	1	0	高电平	下降沿采样	“站着第一拍读”
Mode 3	1	1	高电平	上升沿采样	“站着第二拍读”

📌 Mode 0 是默认首选！（如 Flash、SD卡、BMP280、OLED）

🔧 MCU 和外设必须模式一致，否则数据错乱！

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✅ 4. 数据传输特点

• 全双工：主机和从机在每个时钟周期同时发送和接收 1 位数据
• MSB/LSB First：数据从高位还是低位先发 —— 需查手册确认（通常 MSB）
• 数据长度可变：常见 8 位，也可 16 位、24 位等（由软件或硬件配置）
• 无流控、无地址、无错误校验 → 需软件层保障可靠性

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✅ 5. 主从架构 & 多设备连接

• 一个主机（MCU） + 多个从机（外设）
• 共享总线：SCLK、MOSI、MISO 所有从机并联
• 独立片选：每个从机有自己的 CS，由 MCU 的 GPIO 控制
• ⚠️ 同一时间只能拉低一个 CS → 避免 MISO 总线冲突！

📌 多设备接线示意图：

MCU ──SCLK───┬──[Flash]  
     MOSI───┼──[Sensor]  
     MISO◄──┼──[OLED]  
     CS1────┘  
     CS2─────────┘  
     CS3────────────┘

✅ 可用“3-8 译码器”扩展 CS，节省 GPIO。

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✅ 6. 优缺点对比

优点	缺点
✅ 速度快（几 Mbps ~ 几十 Mbps）	❌ 占用引脚多（每个从机需独立 CS）
✅ 全双工，效率高	❌ 无标准协议层（不同芯片数据格式不同）
✅ 硬件实现简单	❌ 无错误校验机制
✅ 无地址冲突问题	❌ 仅适合短距离（抗干扰差）

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✅ 7. 常见应用场景 & 芯片举例

应用类型	芯片举例	说明
温度传感器	MAX6675、MAX31855	读取热电偶温度
存储器	W25Q64、AT25SF081	SPI Flash，存固件/数据
显示屏	SSD1306、ILI9341	OLED / TFT 屏幕驱动
ADC/DAC	MCP3008、MCP4921	模拟量采集/输出
SD卡	MicroSD（SPI模式）	文件存储
无线模块	nRF24L01	2.4GHz 无线收发

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✅ 8. 如何调试 SPI？

工具	作用
逻辑分析仪	✅ 最推荐！可捕获波形 + 自动解码 SPI 数据
示波器（带协议解码）	看电气特性 + 协议内容
代码打印法	在 MCU 中把 SPI 收发数据通过 UART 打印出来（临时调试）
万用表/示波器测 CS	确认片选信号是否正常拉低

❌ 普通串口助手不能直接监测 SPI！

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✅ 9. MCU 端开发要点

• 使用 硬件 SPI 外设（不是 GPIO 模拟）→ 速度快、稳定
• 配置正确的 模式（CPOL/CPHA）、波特率、数据位宽、MSB/LSB
• CS 用 GPIO 软件控制（方便多设备）
• 通信前拉低 CS，通信后拉高 CS
• 初始化时所有 CS 设为高电平（未选中状态）

📌 示例代码（Arduino）：

SPI.begin(); // 初始化 SPI
digitalWrite(CS_PIN, LOW);  // 选中设备
SPI.transfer(0x03);         // 发送命令
byte data = SPI.transfer(0x00); // 收数据
digitalWrite(CS_PIN, HIGH); // 取消选中

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✅ 10. 高频考点 & 面试问题

1. SPI 有几种模式？怎么区分？
   → 4 种，由 CPOL 和 CPHA 决定，Mode 0 最常用。

2. SPI 是全双工还是半双工？
   → 全双工（MOSI 和 MISO 可同时收发）。

3. 多个 SPI 设备如何连接？
   → SCLK/MOSI/MISO 共享，CS 独立，分时选通。

4. SPI 和 I2C 有什么区别？
   → SPI 速度快、引脚多、无地址；I2C 速度慢、引脚少、有地址、支持多主。

5. SPI 通信失败常见原因？
   → 模式不匹配、CS 未控制好、速率太快、未共地、电压不匹配。

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🎯 一句话终极总结：

SPI 是嵌入式世界里的“高速点对点数据通道”，靠 4 根线 + 片选机制 + 时钟同步，实现 MCU 与外设的高效通信 —— 用好它，关键是“模式匹配、片选控制、时序稳定”。

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