spi协议时序图和四种模式实际应用详解

大家好，我是无际。

上个章节我们讲解了spi接口定义，今天我们更加深入讲解下spi协议时序图和spi四种模式的用法。

刚开始接触单片机开发时，最怕就是看时序图，对于我来说就是奇怪的知识。

特别是SPI和IIC的，以前写程序都直接复制别人程序，功能实现就行了也没去研究过数据传输的时候时序具体是怎么样的。

那个时候经验也不足，网上搜的资料说的都太学术化了，也看不懂。

后面项目做多了，发现最常用到的通信总线无非就是SPI、IIC、USART、CAN、单口通信。

理解也慢慢深刻了，现在去分析时序图也更加清晰了。

所以，我经常和无际单片机编程的学员灌输一种理念，先学会用，用多了经验丰富了再深入就轻松了 。

不要在你没经验的时候去死磕，否则会付出很多不必要的时间成本。

下面，我们进入主题。

一、spi四种模式详解

在讲时序图之前，我们先要了解spi的四种模式，不同的模式采集数据的方式不一样。

一般内置SPI功能的单片机上，都有两个寄存器配置位CPOL和CPHA。

我们拿STM32单片机来举例，可以通过结构体成员配置。

这是通过固件库直接配置，固件库底层代码也是去配置相应寄存器的。

下面来介绍下CPOL和CPHA到底有什么用。

CPOL就是决定SCLK这个时钟信号线，在没有数据传输的时候的电平状态。

CPOL=0：空闲状态时，SCLK保持低电平

CPOL=1：空闲状态时，SCLK保持高电平

CPHA就是决定数据位传输是从第一个时钟(SCLK)边沿开始，还是第二个从二个时钟(SCLK)边沿开始。

CPHA=0：数据从第一个时钟(SLCK)边沿开始采集

CPHA=1：数据从第二个时钟(SLCK)边沿开始采集

Ok，理解CPOL和CPHA基本概念以后，下面这两个要开始”合体”了。

CPOL和CPHA合体就形成了SPI四种模式。

声明：部分图片源自网络，并非原创哈。

下面再分析下4种模式的区别，比较重要。

因为从机，从机指的是使用SPI协议通信的芯片，比如说w25q64(Flash)芯片，OLED屏等等。

很多从机没有CPOL和CPHA寄存器设置位，如果你看它们数据手册会一脸懵逼，根本找不到这两个东西。

这些都是需要看他们时序图去分析是用什么模式，如果模式不对，数据传输会有问题。

这也是为什么明明自己写了时序用在这个芯片可以，换到别的spi通信的芯片就不行。

1.模式0(CPOL=0，CPHA=0)

模式0特性：

CPOL = 0：空闲时是低电平，第1个跳变沿是上升沿，第2个跳变沿是下降沿

CPHA = 0：数据在第1个跳变沿（上升沿）采样

2.模式1(CPOL=0，CPHA=1)

模式1特性：

CPOL = 0：空闲时是低电平，第1个跳变沿是上升沿，第2个跳变沿是下降沿

CPHA = 1：数据在第2个跳变沿（下降沿）采样

3.模式2(CPOL=1，CPHA=0)

CPOL = 1：空闲时是高电平，第1个跳变沿是下降沿，第2个跳变沿是上升沿

CPHA = 0：数据在第1个跳变沿（下降沿）采样

4.模式3(CPOL=1，CPHA=1)

CPOL = 1：空闲时是高电平，第1个跳变沿是下降沿，第2个跳变沿是上升沿

CPHA = 1：数据在第2个跳变沿（上升沿）采样

不知道你有没有发现，不同的模式，其实就是SCLK空闲时间电平状态和数据采样起点不同

你学废了吗？当初我就是这几种模式看得一脸懵逼。

如果不懂，先从开头继续看，这4种模式是后面分析整体时序图的前提。

二、spi时序图详解

看到这里恭喜你，你马上就能彻底攻破SPI协议了。

Spi时序图，最好的方式就是通过实际应用去学习。

我们拿W25Q64这个Flash芯片举例，这种芯片在SPI通信里都是作为从机的角色，也就SPI Slave。

一般由单片机或者其它处理器作为主控和它通信，SLCK时钟也是由主控发出。

下面是W25Q64读数据指令的时序图，我们以这个例子来讲解下时序图要怎么看。

1.先确定芯片支持什么SPI哪种模式读写数据

确定了用哪种模式，主控，也就是单片机这边才能确定数据采集的方式，主控和从机要保持一致。

从时序图中，不难发现，W25Q64的数据手册直接告诉你支持用SPI模式0和模式3来通信。

有些芯片的数据手册，是没有告诉你的，那怎么知道用芯片哪种模式？

第一步： 通过时序图分析CLK空闲时的电平状态，通过上面那个时序图，我们可以得知，高低电平都可以对吧？那我们现在先用CLK空闲时是低电平这种状态继续往下分析。

第二步： 分析DI和DO是在CLK的上升沿还是下降沿采集数据，注意DI代表从机(W25Q64)的MISO引脚，DO代表从机(W25Q64)MOSI引脚。

我们主要通过DI和DO在数据有效区时CLK是上升沿还是下降沿，来判断

什么是数据有效区？

大家看上面这张图，我用红色框起来的区域就是数据有效区。

一般数据是通过DI和DO两个引脚传输的，所以数据有效区就是，这一时刻，这两个引脚的只能是稳定高电平或者低电平。

相当于数据有效区的电平就是最终要传输的数据位，低电平代表0，高电平代表1 。

传输8个位，代表1个字节的数据。

什么是无效数据区？

例如上图蓝色框的区域就是无效数据区，就是这个时刻CLK数据采集时钟还没来，所以DI和DO引脚的电平都可以任意变化。

理解了这两个概念以后，我们重点需要关心是的DI和DO在数据有效区的时候，CLK是上升沿还是下降沿 。

从上图可以看出，DI和DO在数据有效区时，CLK是上升沿，下降沿的时候，DI和DO处于电平可任意变化的无效数据区。

这样，就可以分析出模式了。

首先上升沿采集数据，通过排除法，这样只有模式0和模式3符合条件。

然后就是CLK空闲时间要为低电平，这样就只有模式0符合了。

所以，知道用模式0以后，单片机那边写程序就知道数据是从CLK上升沿读取，或者发送，还是从下降沿了。

2.分析整体时序

分析时序，我们一定要先熟悉这个时序要实现什么功能，不同的功能虽然时序不一样，但是发送数据的顺序和定义不同。

我们现在分析的这个时序是从W25Q64这个Flash芯片读取存储的数据。

我把整个时序按CLK脉冲顺序 拆分成3个部分：

①读指令

这里要注意的是，读指令数据是在W25Q64的DI引脚产生的，DI相当于W25Q64的MISO，就是接收主控(一般是单片机)发送过来的数据。

所以，这个读指令(0x03)是单片机发给W25Q64的 。

0x03被拆分成8个Bit在DI线上传输，每个CLK上升沿传输1个Bit。

②24位地址

发完读指令以后，单片机继续发24位的内存地址，相当于要读W25Q64哪个内存地址的数据。

这个数据是由单片机程序定的，所以不是固定的，大家可以看到数据位都是可以高电平，也可以是低电平。

③单片机接收数据

这个时候通信双方的角色就变了，单片机变成了数据接收方，W25Q64变成了数据发送方。

因为数据从W25Q64的DO发出了，也就是W25Q64的MOSI引脚。

通过这个时序，单片机就可以读到存储在W25Q64指定地址的数据了。

如果你是我们无际单片机编程学员，看文章还不是很理解的话，可以跟我反馈，反馈的人多就直播讲解，如果少就针对性一对一远程电话讲解。

三、单片机程序注意

51单片机一般没有内置SPI模块，所以整个时序需要自己写程序去模拟，简称模拟SPI。

而STM32单片机一般有内置SPI，就不用自己写程序去模拟时序，直接应用。

但是如果用内置SPI有一个细节，特别容易被忽略，就是你读数据的时候，读一个字节之前要先发一个字节任意值数据。

发一个字节任意值数据是为了在CLK总线上产生时钟，给从机的SPI信号提供时钟用的，从机SPI不会自己产生CLK信号的。

比如我下面这个读数据函数：

能理解到这一步，你基本上就已经吃透SPI协议了。

不管从机怎么换，比如说不是W25Q24了，换成OLED屏了，时序原理也是一样的，只是相关的指令和寄存器不同。

如果对你有帮助，麻烦给我安排个三连趴~

不同类型单片机之间如何“搭讪”（通信方式）？从这几个实例来看

几种常用单片机之间的通信方式

①采用硬件UART进行异步串行通信。这是一种占用口线少，有效、可靠的通信方式；但遗憾的是许多小型单片机没有硬件UART，有些也只有1个UART，如果系统还要与上位机通信的话，硬件资源是不够的。这种方法一般用于单片机有硬件UART且不需与外界进行串行通信或采用双UART单片机的场合。

②采用片内SPI接口或I2C总线模块串行通信形式。SPI/I2C接口具有硬件简单、软件编程容易等特点，但目前大多数单片机不具备硬件SPI/I2C模块。

③利用软件模拟SPI/I2C模式通信，这种方式很难模拟从机模式，通信双方对每一位要做出响应，通信速率与软件资源的开销会形成一个很大的矛盾，处理不好会导致系统整体性能急剧下降。这种方法只能用于通信量极少的场合。

④口对口并行通信，利用单片机的口线直接相连，加上1～2条握手信号线。这种方式的特点是通信速度快，1次可以传输4位或8位，甚至更多，但需要占用大量的口线，而且数据传递是准同步的。在一个单片机向另一个单片机传送1个字节以后，必须等到另一个单片机的接收响应信号后才能传送下一个数据。一般用于一些硬件口线比较富裕的场合。

⑤利用双口RAM作为缓冲器通信。这种方式的最大特点就是通信速度快，两边都可以直接用读写存储器的指令直接操作；但这种方式需要大量的口线，而且双口RAM的价格很高，一般只用于一些对速度有特殊要求的场合。

从上面几种方案来看，各种方法对硬件都有很大的要求与限制，特别是难以在功能简单的单片机上实现，因此寻求一种简单、有效的，能在各种单片机之间通信的方法具有重要的意义。③、④方案中，双方单片机要传递的每一位或每一个字节做出响应，通信数据量较大时会耗费大量的软件资源，这在一些实时性要求高的地方是不允许的。

针对这一问题，假设在单片机之间增加1个数据缓冲器，大批数据先写入缓冲区，然后再让对方去取，各个单片机对数据缓冲器都是主控模式，这样必然会大大提高通信效率。谈到数据缓冲，我们马上会想到并行RAM，但是并行RAM需要占用大量的口线（数据线+地址线+读写线+片选线+握手线），一般在16条以上。这是一个让人望而生畏的数字，而且会大大增加PCB面积并给布线带来一定的困难，极少有人采用这种方式。串行接口的RAM在市场上很少见，不但难以买到而且价格很高。移位寄存器也可以做数据缓冲器，但目前容量最大的也只128位，因为是“先进先出”结构，所以不管传递数据多少，接收方必须移完整个寄存器，灵活性差而且大容量的移位寄存器也是少见难买的。一种被称为“铁电存储器”芯片的出现，给我们带来了解决方法。

利用铁电存储器作为数据缓冲器的通信方式

铁电存储器是美国Ramtran公司推出的一种非易失性存储器件，简称FRAM。与普通EEPROM、Flash-ROM相比，它具有不需写入时间、读写次数无限，没有分布结构可以连续写放的优点，因此具有RAM与EEPROM的双得特性，而且价格相对较低。

现在大多数的单片机系统配备串行EEPROM（如24CXX、93CXX等）用来存储参数。如果用1片FRAM代替原有EEPROM，使它既能存储参数，又能作串行数据通信的缓冲器。2个（或多个）单片机与1片FRAM接成多主-从的I2C总线方式，增加几条握手线，即可得到简单高效的通信硬件电路。在软件方面，只要解决好I2C多主-从的控制冲突与通信协议问题，即可实现简单、高效、可靠的通信了。

实例（双单片机结构，多功能低功耗系统）

（1）硬件

W78LE52与EMC78P458组成一个电池供电、可远程通信的工业流量计。78P458采用32.768kHz晶振，工作电流低，不间断工作，实时采集传感器的脉冲及温度、压力等一些模拟量；W78LE52采11.0592MHz晶振，由于它的工作电流较大，采用间断工作，负责流量的非线性校正、参数输入、液晶显示、与上位机通信等功能，它的UART用于远程通信。2个单片机共用1片I2C接口的FRAM（FM24CL16）组成二主一从的I2C总线控制方式，W78LE52的P3.5、P3.2分别与78P458的P51、P50连接作握手信号线A与B。我们把握手线A（简称A线）定义为总线控制、指示线，主要用于获取总线控制权与判别总线是否“忙”；握手线B（简称B线）定义为通知线，主要用于通知对方取走数据。

（2）I2C总线仲裁

由于我们采用的是二主一从的I2C总线方式，因此防止2个主机同时去操作从机（防冲突）是一个非常重要的问题。带有硬件I2C模块的器件一般是这样的，器件内部有1个总线仲裁器与总线超时定时器：当总线超时定时器超时后指示总线空闲，这时单片机可以发出获取总线命令，总线仲裁器通过一系列操作后确认获取总线成功或失败；超时定时器清零，以后的每一个SCL状态变化对总线所有主机的超时定时器进行清零，以防止它溢出，指示总线正处于“忙”状态，直到一个主机对总线控制结束不再产生SCL脉冲；超时定时器溢出，总线重新回到“空闲”状态。但是目前大多数单片机没有配备硬件I2C模块，而且当2个主机的工作频率相差较大时，超时定时器定时值只能设为较大的值，这样也会影响总线的使用效率。

下面介绍一种用软件模拟I2C总线仲裁的方式（I2C读写操作程序的软件模拟十分多见，这里不再多述）：用1条握手线A，当A线高电平时，指示总线空闲；当其中一个主机要获取总线控制权时，先查询总线是否空闲，“忙”则退出，空闲则向A线发送一个测试序列（如：1000101011001011），在每次发送位“1”后读取的A线状态。如果读取状态为“0”，马上退出，说明有其它器件已经抢先获取总线；如果一个序列读取的A线状态都正确，则说明已成功获得总线控制权，这时要拉低A线以指示总线“忙”，直到读写高A线，使总线回到“空闲”状态。不同的主机采用不同的测试序列，或产生随机测试序列，测试序列长度可以选得长一些，这样可以增加仲裁的可靠性。

（3）通信协议

一个可靠通信体系，除了好的硬件电路外，通信协议也至关重要。在单片机系统RAM资源与执行速度都非常有限的情况下，一个简捷有效的协议是非常重要的。下面具体介绍一种比较适用于单片机通信的协议，数据以包的形式传送。数据包结构：

①包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略；

②地址——数据包要传送的目标地址，若只有双机通信或硬件区分地址可以省略；

③包长度——指示整个数据包的长度；

④命令——指示本数据包的作用；

⑤参数——需要传送的数据与参数；

⑥校验——验证数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或者是它们的组合；

⑦包尾——指示数据包的结尾，有利于包完整性检测，有时可省略。

（4）通信流程

首先，要在FRAM里划分好各个区域，各个单片机的参数区、数据接收区等。然后，单片机可以向另一个单片机发送数据包，发送完毕之后通过向握手线B发送1个脉冲通知对方取走数据；接收方读取数据并进行处理后，向FRAM内发送方的数据接收区写入回传数据或通信失败标志，再向握手线B发送1个脉冲回应发送方。

如果需要单片机2发送的话，只需交换一下操作过程即可。

4 总结

通过实践可知，以上方法是可行的。与其它方法相比具有发下优点：

①简单。占用单片机口线少（SCL、SDA、握手线A、握手线B）。

②通用。软件模拟I2C主机方式，可以在任何种类的单片机之间通信。

③高效。由于采用数据缓冲，可以在不同时钟频率、不同速度的单片机之间通信；读写数据时，可以I2C总线的最高速度进行，可以实现1次传送大量数据；在一个单片机向FRAM传送数据时，另一个单片机无须一一作出响应或等待，可以进行其它程序操作，提高软件工作效率。

④灵活。通信硬件接口对于各个单片机是对等的，通过软件配置，每个单片机既可以根据需要主动发送通信，也可以只响应其它单片机的呼叫。

⑤容易扩展。通过增加地址识别线，修改通信协议，即可做到多机通信。

以下是需要注意的地方：

①为了提高通信效率，握手线B最好使用中断端口，负脉冲宽度一定要满足速度较低单片机中断信号要求。如果没有中断的话应增加1条口线，用改变端口状态的方法通知对方，等待对方查询，而不是负脉冲。

②向对方发送负脉冲时，应屏蔽自己的中断。

③由于参数与通信缓冲区同时设在同一片FRAM内，要避免对参数部分的误操作。一个较好的解决办法是把参数存放在地址的后半部分（A2=1），在进行通信操作时，把FRAM的WP引脚拉高（地址在后半部分的单元写保护），这样可以有效地防止测验时对参数区误操作。

④由于I2C总线在一个时间段内只有1个主机和1个从机，所以当1个单片机正在写通信数据时，另一个单片机是不能对FRAM进行操作的。如果需要实时、频繁地读取FRAM中参数的话，请预先将参数读入RAM单元使用或另外增加专门存放参数的芯片。

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