SPI通信协议深度解析：信号引脚、CLK行为与测量指南

原创于 2025-10-29 11:31:22 发布 · 1.2k 阅读

23 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#fpga开发 #单片机 #嵌入式硬件

LINUX驱动学习专栏收录该内容

94 篇文章

订阅专栏

SPI通信协议深度解析：信号引脚、CLK行为与测量指南

一、SPI信号引脚详解

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种全双工同步串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统。其核心信号引脚包括：

1.1 核心信号线

信号名称	方向	全称	功能
SCLK	主→从	Serial Clock	时钟信号，由主设备产生
MOSI	主→从	Master Out Slave In	主设备输出数据
MISO	从→主	Master In Slave Out	从设备输出数据
CS/SS	主→从	Chip Select/Slave Select	片选信号，使能从设备

1.2 可选信号

信号名称	用途	说明
INT	从→主	中断请求
RESET	主→从	复位信号

二、CLK信号行为特性分析

2.1 CLK的产生机制

在SPI通信中，SCLK信号完全由主设备控制。根据Linux内核SPI子系统的实现（如drivers/spi/spi.c）：

// 内核SPI传输核心函数
static int spi_transfer_one_message(struct spi_controller *ctlr,
struct spi_message *msg)
{
// 1. 激活片选
cs_assert(ctlr, msg->spi);

// 2. 生成时钟信号
ctlr->prepare_transfer_hardware(ctlr);

// 3. 执行数据传输
list_for_each_entry(xfer, &msg->transfers, transfer_list) {
// 产生CLK脉冲
ctlr->transfer_one(ctlr, msg->spi, xfer);
}

// 4. 停止时钟
ctlr->unprepare_transfer_hardware(ctlr);

// 5. 释放片选
cs_deassert(ctlr, msg->spi);
}

2.2 CLK波形特征

CLK信号的行为受以下因素影响：

时钟极性(CPOL)：

CPOL=0：空闲时低电平
CPOL=1：空闲时高电平

时钟相位(CPHA)：

CPHA=0：数据在第一个时钟边沿采样
CPHA=1：数据在第二个时钟边沿采样

graph LR
A[CPOL/CPHA组合] --> B[模式0：CPOL=0, CPHA=0]
A --> C[模式1：CPOL=0, CPHA=1]
A --> D[模式2：CPOL=1, CPHA=0]
A --> E[模式3：CPOL=1, CPHA=1]

2.3 CLK激活时机

根据用户提供的代码分析(SES_PORT_SPIDEV_interface.c)：

// SPI传输触发点
if (ioctl(spiLinkDescription_g[intfHandle].spiDev,
SPI_IOC_MESSAGE(1),
&message) >= 0)
{
// 传输成功
}

关键结论：

CLK只在ioctl()执行期间产生
数据传输完成后，CLK立即停止
即使是从设备数据读取，也需要主设备发起传输并提供CLK

三、SPI信号测量指南

3.1 测量设备要求

设备	推荐型号	关键参数
示波器	Rigol DS1054Z	4通道，50MHz+
探头	PP215	10:1衰减比
逻辑分析仪	Saleae Logic Pro 16	16通道，100MS/s

3.2 测量连接方法

3.3 测量参数解读

参数	典型值	测量要点
CLK频率	1-50MHz	确认是否达到标称值
建立时间	>10ns	数据在时钟边沿前的稳定时间
保持时间	>5ns	数据在时钟边沿后的稳定时间
上升/下降时间	<10ns	信号边沿质量
占空比	45-55%	时钟对称性

四、常见问题排查

4.1 CLK无波形的情况分析

4.2 典型故障解决方案

CLK持续输出：

检查SPI控制器是否处于连续传输模式
验证片选信号是否保持激活状态

CLK频率不稳定：

# 在Linux中检查时钟源
cat /sys/kernel/debug/clk/clk_summary | grep spi

数据与CLK不同步：

调整CPOL/CPHA设置
增加建立/保持时间裕量

五、SPI驱动开发实践

5.1 内核SPI框架结构

// SPI设备注册
struct spi_board_info my_spi_dev = {
.modalias = "my_device",
.max_speed_hz = 10000000,
.bus_num = 0,
.chip_select = 1,
.mode = SPI_MODE_0,
};
spi_register_board_info(&my_spi_dev, 1);

// 驱动实现
static struct spi_driver my_spi_driver = {
.driver = {
.name = "my_device",
},
.probe = my_probe,
.remove = my_remove,
};
module_spi_driver(my_spi_driver);

5.2 用户空间spidev使用

// 配置SPI模式
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, &mode);

// 设置位顺序
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_LSB_FIRST, &lsb);

// 执行传输
struct spi_ioc_transfer tr = {
.tx_buf = (unsigned long)tx,
.rx_buf = (unsigned long)rx,
.len = len,
.delay_usecs = delay,
.speed_hz = speed,
.bits_per_word = bits,
};
ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);

六、高级测量技巧

6.1 使用逻辑分析仪解码

6.2 信号完整性优化

阻抗匹配：

串联匹配电阻：22-100Ω
终端匹配：在接收端并联100Ω电阻

PCB布线规则：

SCLK与MOSI/MISO等长布线
避免平行走线超过信号波长1/20
参考地平面完整

噪声抑制：

// 软件滤波
for (int i = 0; i < 3; i++) {
value = read_adc();
if (abs(value - last) < threshold) break;
}

七、SPI协议变体

7.1 多从设备连接方式

7.2 半双工模式

// 配置为3线模式
ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE, SPI_3WIRE);

// 方向切换
gpio_set_value(direction_pin, TX_MODE);
spi_write(...);
gpio_set_value(direction_pin, RX_MODE);
spi_read(...);