SPI 通讯详解——以 OSI 模型分析物理层、数据链路层和应用层

原创于 2025-11-02 00:58:52 发布 · 914 阅读

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一、SPI 简介

1.1 SPI 简介

SPI 是一种主从式、全双工、同步串行通信协议，由 Motorola 在 1980 年代提出，常用于 MCU 与外设 (如 Flash、ADC、传感器、显示屏) 之间的高速通信。

Motorola 所定义的 SPI 标准为业界广泛引用，但不同半导体公司的实施细节可能有所不同，这些区别体现在寄存器设置、信号定义、数据格式等。业界没有统一的 SPI 标准，具体应用需要参考特定器件手册。

1.2 特性

1.2.1 优点

支持全双工通信
Push-Pull 驱动性能相比 Open Drain 信号完整性更好，支持高速应用 (100MHz以上)
协议支持字长不限于 8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长
相比 I2C 和 SMbus 节省上拉电阻
相比 I2C 和 SMbus 不需要仲裁机制
从设备使用主设备时钟，节约时钟要求
从设备无需地址寻址

1.2.2 缺点

相比 I2C 两根线，SPI 四根线更多
没有寻址机制，只能靠设备片选 (chip select) 选择不同从设备
没有数据流控制 (但主设备可以通过延缓时钟边缘降低传输速度)
没有从设备接收数据 ACK，主设备对于发送成功与否不得而知
典型应用只支持单主控
没有定义数据校验机制
没有统一的国际组织维护，变种多不利于不同厂商设备的互操作性 (interoperability)
相比于 RS232、RS422、RS485 和 CAN，SPI 传输距离短
不支持热插拔

二、的物理层

2.1 物理层定义

物理层是 OSI 模型的第一层 (最底层)，它负责 在物理媒介上发送和接收原始比特流，也就是把 0 和 1 转换成实际可传输的信号。它完全和数据内容无关，只关注 信号如何在介质上传播。

物理层的主要定义有：

电气特性：电压幅度、逻辑电平、信号极性 (高电平/低电平表示 0/1)
传输速率：比特率 (bps) 或以太网的 (Mbps) 等
物理拓扑：点对点 (串口) 、总线 (CAN)、星型 (以太网) 等
传输模式：单工、半双工、全双工

2.2 连线定义

SPI 只有 4 条基本线：

名称	方向 (主→从)	作用
SCLK	输出	时钟信号
MOSI	输出	主设备发送数据
MISO	输入	从设备返回数据
SS/CS	输出	片选信号 (低有效)

其连线方式如下：

其中 SS/CS 是芯片的片选信号，置高或置低则代表选中这个从设备，在 SPI 总线中，同一时刻只能有一个从设备被选中。

2.3 电气规范与原理图

SPI 不使用差分电路，仅是高低电平判断逻辑，常见逻辑电平标准如下：

逻辑标准	逻辑 1 (高)	逻辑 0 (低)	典型工作电压	说明
TTL	≥ 2.0V	≤ 0.8V	5V	早期MCU常见
CMOS 5V	≥ 0.7×VCC	≤ 0.3×VCC	5V	常见于老芯片
CMOS 3.3V	≥ 2.31V	≤ 0.99V	3.3V	当前主流
CMOS 1.8V	≥ 1.26V	≤ 0.54V	1.8V	低功耗设备

2.3 通讯距离

SPI 是板级通讯，一般不会进行过长的数据传输：

SPI时钟频率	推荐最大距离	应用场景
50 MHz	< 10 cm	MCU 与 Flash、ADC、DAC 同板通信
20 MHz	< 20 cm	模块间、主板与子板
10 MHz	< 30 cm	短排线连接、屏幕或传感器
5 MHz	< 50 cm	稍长排线、屏蔽线连接
1 MHz	< 1 m	工业布线、屏蔽双绞线
400 kHz	1–2 m	降速通信、低噪声环境
100 kHz	3–5 m（极限）	带隔离器或差分驱动器的 SPI

2.4 通讯速率

SPI 是 同步串行通信，每个时钟周期传输 1 位数据 (在全双工时主从各自同时传输一位)。
因此：

数据速率 (bps) = 时钟频率 (Hz) × 每时钟传输的位数

也就是说，SPI 每时钟传输的位数就是 1，时钟频率等于 bps。假设主机 SPI 的时钟是 1MHz，那么总线也获得 1Mbps 的传输速度。

但是由于 SPI 是帧结构通信，一帧包括，片选信号、地址/命令字节、数据字节和等待状态。实际数据率约为理论速率的 60%~95%。

三、数据链路层

物理层定义了 0 和 1 的信号形式。数据链路层则提供可靠的数据传输，进行帧的封装、错误检测、流量控制。

帧封装：把目标数据封装成一帧 (Frame)，加上帧头、帧尾，使接收方能识别帧的起止。
物理寻址：每个链路设备都有一个地址，用于在同一总线中识别发送方和接收方。
差错检测与纠正：CRC、奇偶校验等方式检测 (有时纠正) 比特错误。
流量控制：控制发送速度，防止发送方过快导致接收方缓冲区溢出。
重传控制：通过确认（ACK）机制与超时重传，提高传输可靠性。

2.3 SPI 的四种模式

一段 SPI 波形实际如下图：

当选中这个设备后，SS 片选即拉高，之后 SCK 时钟线开始工作，在 SCK 每个上升沿时刻，如果 MOSI 为高电平，则为 1，为低电平则为 0。

以上的波形为 SPI 0 模式，其实 SPI 共有 0、1、2、3 四种模式。

不同的从设备可能在出厂是就是配置为某种模式，这是不能改变的；但我们的通信双方必须是工作在同一模式下，所以我们可以对我们的主设备的 SPI 模式进行配置，通过 CPOL (时钟极性) 和CPHA (时钟相位) 来控制我们主设备的通信模式，具体如下：

时钟极性 (CPOL) 定义了时钟空闲状态电平：

CPOL=0，表示当 SCLK=0 时处于空闲态，所以有效状态就是 SCLK 处于高电平时
CPOL=1，表示当 SCLK=1 时处于空闲态，所以有效状态就是 SCLK 处于低电平时

时钟相位 (CPHA) 定义数据的采集时间：

CPHA=0，在时钟的第一个跳变沿 (上升沿或下降沿) 进行数据采样，在第2个边沿发送数据
CPHA=1，在时钟的第二个跳变沿 (上升沿或下降沿) 进行数据采样，在第1个边沿发送数据

SPI 模式	CPOL	CPHA	空闲时 SCK 时钟	采样时刻 MIOS	输出时刻 MOSI
0	0	0	低电平	第1个边沿 (奇)	第2个边沿 (偶)
1	0	1	低电平	第2个边沿 (偶)	第1个边沿 (奇)
2	1	0	高电平	第1个边沿 (奇)	第2个边沿 (偶)
3	1	1	高电平	第2个边沿 (奇)	第1个边沿 (奇)