SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步的串行通信协议，由摩托罗拉公司（Motorola）于 20 世纪 80 年代提出，主要用于短距离内的芯片级通信，广泛应用于微控制器（MCU）与外围设备（如传感器、存储器、显示屏等）之间的数据传输。
SPI 接口的核心特点
- 同步通信
：通过时钟信号（SCLK）同步数据传输，发送方和接收方依赖同一时钟信号确保数据对齐。 - 全双工通信
：数据可以同时双向传输（发送和接收可同步进行）。 - 高速传输
：速率通常可达几 Mbps 到几十 Mbps，具体取决于设备支持的时钟频率。 - 主从架构
：通信由主设备（Master） 控制，从设备（Slave） 被动响应，一个主设备可连接多个从设备。
SPI 接口的信号线
SPI 协议通过 4 根信号线实现通信（部分简化场景可省略部分线），具体如下：
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| SCLK |
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| MOSI |
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| MISO |
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| SS/CS |
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SPI 的工作原理
- 主从初始化
：主设备初始化时钟频率（SCLK）、数据传输格式（如位数、时钟极性 / 相位），并通过 SS/CS 线选中目标从设备（拉低对应 SS 引脚）。 - 数据传输
： -
主设备通过 MOSI 线逐位发送数据，同时从设备通过 MISO 线逐位返回数据，双方在 SCLK 的同步下完成采样。 -
传输位数通常为 8 位（1 字节），也可支持其他位数（如 16 位），具体由设备定义。 - 传输结束
：主设备拉高 SS/CS 线，释放从设备，结束本次通信。
SPI 的时钟极性与相位（CPOL/CPHA）
SPI 的通信格式由时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）定义，共 4 种模式，需主从设备保持一致：
- CPOL（Clock Polarity）
：定义空闲时 SCLK 的电平（0 = 空闲低电平，1 = 空闲高电平）。 - CPHA（Clock Phase）
：定义数据采样的时刻（0 = 第一个时钟沿采样，1 = 第二个时钟沿采样）。
常见模式为模式 0（CPOL=0，CPHA=0）：空闲时 SCLK 为低电平，在第一个上升沿采样数据。
SPI 的多从设备连接方式
独立 SS 线连接：主设备为每个从设备分配独立的 SS/CS 引脚，通过拉低对应引脚选中单个从设备，其他从设备不响应。
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优点：结构简单，各从设备独立，通信互不干扰。 -
缺点：主设备引脚占用多，适合从设备数量少的场景。 ** Daisy Chain（菊花链）连接 **：从设备串联，主设备仅需 1 根 SS 线，数据从第一个从设备依次传递到最后一个，最后一个从设备的输出返回主设备。
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优点：节省主设备引脚，适合从设备数量多的场景（如 LED 屏、传感器阵列）。 -
缺点：数据传输延迟随从设备数量增加，且任一设备故障会影响整体通信。
SPI 的优缺点
优点
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高速传输：速率远高于 I²C（通常可达 10Mbps 以上），适合大数据量场景（如显示屏、高速 ADC）。 -
全双工通信：发送和接收可同步进行，效率高。 -
协议简单：无复杂的地址机制和应答信号，硬件实现成本低。
缺点
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信号线较多：相比 I²C（仅 2 根线），SPI 需要 4 根线（含 SS），不适合远距离传输。 -
无内置纠错机制：数据传输错误需通过软件校验（如 CRC）。 -
主从依赖强：从设备无法主动发起通信，必须由主设备控制。
SPI 的典型应用场景
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存储设备：Flash、EEPROM（如 W25Q 系列）。 -
传感器：加速度计、陀螺仪（如 MPU6050）、温湿度传感器。 -
显示设备：OLED 屏、LCD 控制器（如 SSD1306）。 -
通信模块：无线射频（RF）模块、以太网芯片。
与其他通信协议的对比
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总之，SPI 凭借高速、全双工的特性，在短距离、高带宽的芯片级通信中占据重要地位，是嵌入式系统中常用的接口之一。
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