SPI 协议详解

SPI 模式

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工的同步串行通信总线，根据通信角色（主 / 从）和数据传输方向，可分为以下 8 种核心工作模式：

1. 全双工模式（Full-Duplex）

  • Full-Duplex Master（全双工主模式）：

    作为 SPI 通信的主设备，可同时向从设备发送数据（MOSI 线）和接收从设备返回的数据（MISO 线），是 SPI 最常用的模式之一。例如在与 SPI 显示屏、Flash 芯片通信时，主设备发送指令 / 地址的同时，可接收设备的状态反馈，通信效率最高。

  • Full-Duplex Slave（全双工从模式）：

    作为从设备，被动响应主设备的时钟（SCK），在主设备发送数据的同时，向主设备传输自身数据。典型应用如多传感器组网，传感器作为从设备，主控制器发起通信时，传感器同步回传采集数据。

2. 半双工模式（Half-Duplex）

  • Half-Duplex Master（半双工主模式）：

    主设备同一时间段仅能单向传输数据（要么发、要么收），需通过硬件或软件控制数据方向。适用于无需同时收发的场景，如部分简单传感器（仅需主设备读取数据，或仅需主设备下发配置），可节省总线资源。

  • Half-Duplex Slave（半双工从模式）：

    从设备仅能在主设备指定时段单向传输数据，常见于低功耗外设，减少不必要的信号交互。

3. 只读模式（Receive Only）

  • Recieve Only Master（只读主模式）：

    主设备仅接收从设备数据，MOSI 线无数据输出，仅通过 SCK 提供时钟，从设备通过 MISO 线持续发送数据。适用于数据采集类场景（如高速 ADC 采样），主设备仅需读取采样结果，无需下发指令。

  • Recieve Only Slave（只读从模式）：

    从设备仅向主设备发送数据，不接收主设备的任何指令 / 数据，典型如数据广播类外设（如温湿度传感器持续上报数据）。

4. 只发模式（Transmit Only）

  • Transmit Only Master（发送主模式）：

    主设备仅向从设备发送数据，MISO 线无数据输入，适用于仅需下发控制指令的场景（如 LED 点阵屏控制，主设备持续发送显示数据，从设备无反馈）。

  • Transmit Only Slave（发送从模式）：

    从设备仅接收主设备数据，无任何数据输出，常见于单向控制类外设（如继电器模块，仅接收主设备的通断指令）。

SPI 片选

SPI 通过片选（NSS，Slave Select）信号确定当前通信的从设备，多从设备场景下，仅被选中的从设备响应主设备的时钟和数据信号。

1. Hardware NSS Signal（硬件片选）

硬件片选由 SPI 控制器的专用 NSS 引脚实现，信号电平由硬件电路或控制器自动控制，稳定性高，减少软件开销。

  • Hardware NSS Input Signal（硬件 NSS 输入信号）：

    该模式下 NSS 作为输入引脚，主设备通过检测 NSS 电平判断自身是否被选为 “从设备”（极少场景）；或从设备通过 NSS 输入电平判断是否被主设备选中（主流场景）。通常高电平为 “未选中”，低电平为 “选中”，部分外设支持高电平片选，需匹配硬件手册。

  • Hardware NSS Output Signal（硬件 NSS 输出信号）：

    仅主设备支持，NSS 作为输出引脚，主设备通信时自动拉低对应从设备的 NSS 电平，通信结束后拉高，实现精准的从设备选中控制。例如主设备挂载多个 SPI 从设备时，通过硬件 NSS 输出自动切换选中的从设备，无需软件干预。

2. Software NSS Signal（软件片选）

软件片选无需专用 NSS 引脚，可任意指定通用 IO 口作为片选引脚，通过软件控制引脚电平（高 / 低）实现从设备选择，灵活性高，适用于无专用 NSS 引脚或多从设备（超过硬件 NSS 数量）的场景。

  • 实现方式：初始化指定 IO 口为输出模式，通信前拉低目标从设备的片选 IO，通信完成后拉高，避免多个从设备同时响应。
  • 注意事项：软件片选需严格同步时钟（SCK）和片选电平，避免因软件执行延迟导致从设备误触发。

SPI 数据传输

SPI 数据传输的核心参数决定了数据的封装格式和解析规则，需主从设备严格一致，否则会出现数据解析错误。

1. Frame Format（协议格式）

SPI 主流协议格式为Motorola（摩托罗拉）格式，也是几乎所有 SPI 外设默认支持的格式；少数场景会兼容 TI 格式（同步串行通信的另一种格式），但非 SPI 标准，需特殊配置。

  • Motorola 格式特征：数据以帧为单位，时钟（SCK）同步，片选（NSS）拉低后开始传输，每帧数据的位宽由 Data Size 定义，高位 / 低位先行由 First Bit 定义。

2. Data Size（数据位宽）

定义单次传输的数据位数，需主从设备匹配，否则会出现数据截断或错位。

  • 8bits（八位传输）：

    最常用的位宽，适用于绝大多数外设（如 Flash、传感器、显示屏），单帧传输 1 字节数据，解析简单，兼容性强。

  • 16bits（16 位传输）：

    适用于高精度数据传输场景（如 ADC/DAC、电机驱动），单帧传输 2 字节数据，可减少传输次数，提升效率。

    • 从模式注意事项：单片机作为从设备时，需提前确认对接设备的传输位宽（8/16bits），若主设备发送 16bits 数据，从设备配置为 8bits 会导致仅接收低 8 位，高 8 位丢失；反之则会接收无效数据。

3. First Bit（数据位序）

定义数据帧中第一位传输的是高位还是低位，需主从设备严格一致。

  • MSB First（高位先行）：

    数据的最高位（Most Significant Bit）先传输，是 SPI 默认且最主流的配置，几乎所有显示屏、Flash、传感器均采用此模式。例如传输字节 0x81（二进制 10000001），先传输最高位 “1”，最后传输最低位 “1”。

  • LSB First（低位先行）：

    数据的最低位（Least Significant Bit）先传输，仅少数特殊外设（如部分工业传感器）使用，需手动配置控制器匹配。

SPI 时钟配置

SPI 的时钟（SCK）是同步通信的核心，时钟参数决定了通信速度和数据采样时机，需根据外设的最大支持速度和传输稳定性配置。

1. Prescaler（分频系数）

SPI 控制器的时钟源通常为单片机的系统时钟（如 72MHz、168MHz），通过分频系数降低时钟频率，得到 SPI 的实际波特率。

  • 常见分频系数：2、4、8、16、32、64、128 等，分频系数越小，SCK 频率越高，通信速度越快；反之则速度越慢。
  • 配置原则：需低于外设支持的最大 SCK 频率（如多数 SPI Flash 支持最高 108MHz，显示屏多支持≤50MHz），同时考虑传输距离（远距离传输需降低频率，避免信号衰减）。

2. Baud Rate（波特率）

SPI 的波特率即 SCK 的频率，计算公式为：波特率 = 系统时钟频率 / 分频系数。

  • 示例：系统时钟 72MHz，分频系数 8，则波特率 = 72/8=9MHz，即每秒传输 9M 位数据。
  • 注意：全双工模式下，波特率同时决定 MOSI 和 MISO 的传输速度；单向模式（只读 / 只发）仅决定对应数据线的速度。

3. Clock Polarity (CPOL)（时钟极性）

定义 SPI 时钟线（SCK）在空闲状态（无数据传输时）的电平。

  • CPOL=0（LOW）：空闲时 SCK 为低电平，数据传输时 SCK 在高 / 低电平间切换。
  • CPOL=1（HIGH）：空闲时 SCK 为高电平，数据传输时 SCK 在低 / 高电平间切换。

4. Clock Phase (CPHA)（时钟相位）

定义数据采样的时机，即在 SCK 的第几个边沿（上升沿 / 下降沿）采集数据。

  • CPHA=0（1 Edge）：第一个边沿采样

    • 若 CPOL=0（空闲低）：SCK 从低到高的上升沿（第一个边沿）采样数据，下降沿发送数据；
    • 若 CPOL=1（空闲高）：SCK 从高到低的下降沿（第一个边沿）采样数据，上升沿发送数据。

  • CPHA=1（2 Edge）：第二个边沿采样

    • 若 CPOL=0（空闲低）：SCK 从高到低的下降沿（第二个边沿）采样数据，上升沿发送数据；
    • 若 CPOL=1（空闲高）：SCK 从低到高的上升沿（第二个边沿）采样数据，下降沿发送数据。

时钟模式组合（CPOL+CPHA）

CPOL 和 CPHA 的组合决定了 SPI 的 4 种核心时钟模式（Mode 0~3），是 SPI 配置的关键：

  • Mode 0：CPOL=0，CPHA=0（空闲低，上升沿采样）→ 最主流模式；
  • Mode 1：CPOL=0，CPHA=1（空闲低，下降沿采样）；
  • Mode 2：CPOL=1，CPHA=0（空闲高，下降沿采样）；
  • Mode 3：CPOL=1，CPHA=1（空闲高，上升沿采样）。

SPI CRC

CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）是 SPI 的可选数据校验机制，用于检测传输过程中的数据错误，提升通信可靠性。

1. CRC Polynomial（CRC 多项式）

SPI 控制器通过预设的 CRC 多项式生成校验码，主设备发送数据时附加 CRC 码，从设备接收后重新计算 CRC 并与接收的 CRC 码对比，判断数据是否出错。

  • 常用多项式：SPI 默认采用 CRC-8（多项式为 x⁸+x⁷+x⁶+x⁴+x²+1，对应十六进制 0x107），部分控制器支持 CRC-16（如 0x8005）。
  • 配置方式：需主从设备配置相同的 CRC 多项式，否则校验结果不匹配；若外设不支持 CRC，需关闭 SPI 的 CRC 功能，避免数据附加冗余位导致解析错误。
  • 应用场景：适用于高可靠性要求的场景（如工业控制、医疗设备），普通消费类外设（如显示屏）通常关闭 CRC 以提升传输效率。

2. CRC 校验流程

  1. 主设备初始化 CRC 计算器，写入待传输数据，生成 CRC 码；
  2. 主设备发送数据帧（含有效数据 + CRC 码）；
  3. 从设备接收数据后，用相同多项式计算 CRC，对比接收到的 CRC 码；
  4. 若一致，确认数据正确；若不一致，判定传输错误，可触发重传或报错。

SPI 额外注意事项

  1. 总线拓扑：SPI 支持一主多从的星形拓扑，需注意片选信号的隔离和匹配，避免信号串扰；
  2. 信号电平：SPI 通常为 3.3V 电平，部分外设支持 5V，需通过电平转换芯片匹配，避免引脚烧毁；
  3. 传输同步：主设备的 SCK 时钟需与数据传输严格同步，高频传输时需考虑 PCB 走线长度，减少信号延迟；
  4. 中断 / DMA：高速 SPI 传输建议使用 DMA（直接存储器访问），减少 CPU 占用；低速传输可使用中断或轮询方式。

片选和数据/命令控制

涉及到数据传输。后面再补充

1. GRAM 写操作模式

LCD 驱动 IC 具有 GRAM（图形显存）写模式。当主机发送写显存命令（通常为 0x2C）后，控制器进入该模式，后续接收的所有数据均被写入 GRAM，并直接反映在屏幕上。

重要行为：

  • 在 GRAM 写模式下，如果 DC（数据/命令）引脚被意外拉低（即发送了命令），控制器会立即退出 GRAM 模式，转而执行命令解析。
  • 因此，连续写入像素数据期间必须保持 DC 为高电平（数据模式）。

2. 命令分类

根据是否需要附带数据，LCD 命令可分为三类：

类型说明
无数据操作命令仅发送命令字节，无后续数据。例如：软件复位、进入睡眠模式等。
有数据操作命令发送命令后，必须发送固定数量的数据字节。例如：设置对比度、伽马校正。
不定长数据操作发送命令后，可连续发送任意长度的数据，直到被新命令打断。典型例子：写显存命令（0x2C）。

对于写显存操作，通常需要先通过 0x2A 和 0x2B 命令设置窗口（地址范围），包括起始坐标 (x, y) 和结束坐标 (x1, y1)。之后发送的像素数据将按以下规则自动填充：

  • 第一个数据写入 (x, y)。
  • 随后每个数据依次写入 (x+1, y)，(x+2, y)，… 直到该行末尾（x1）。
  • 到达行末后，列地址自动加 1（y+1），行地址回到起始列 x，继续写入。
  • 重复上述过程，直到最后一个数据写入 (x1, y1)。此后，控制器忽略任何额外发送的数据，直至收到新的命令或重新设置窗口。

注：地址递增方向（先 X 后 Y 或先 Y 后 X）可通过特定寄存器配置，用于实现横屏/竖屏刷新方向。

3. SPI 通信方式：4 线制与 3 线制

3.1 4 线制 SPI（4W）

  • 信号线：SCK、SDI/MOSI、CS、DC（数据/命令区分线）。
  • 主机通过 DC 电平告知当前传输的是命令（DC=0）还是数据（DC=1）。

8 位模式

  • 每个传输周期为 8 个时钟周期。CS 可保持低电平以连续发送多个字节。

16 位模式

  • 若 LCD 控制器仅支持 8 位接收，则 16 位传输会被自动拆分为两个连续的 8 位传输。
  • 关键限制：发送命令时（如 0x2A、0x2B、0x2C），必须使用 8 位传输。若强行使用 16 位发送一个 8 位命令（例如高 8 位为命令，低 8 位填充 0），控制器会将低 8 位误判为数据，导致错误。 因此，16 位模式通常仅用于批量传输像素数据（颜色值），以提高效率。

3.2 3 线制 SPI（3W）

  • 无专用 DC 线。命令/数据的区分信息嵌入在数据流中：每个 9 位传输周期内，第 1 位为 DC 标志（1=数据，0=命令），后续 8 位为有效数据。

8 位模式的软件模拟

主机需用 GPIO 精确产生 9 个时钟周期：

// 假设已定义 DC_flag（0或1），data_byte 为要发送的8位数据

// 1. 发送 DC 标志位
HAL_GPIO_WritePin(SPI_SDIO_GPIO_Port, SPI_SDIO_Pin, DC_flag);
HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_Port, SPI_SCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_Port, SPI_SCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);

// 2. 发送 8 位数据（MSB 优先）
for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    uint8_t bit = (data_byte >> i) & 0x01;
    HAL_GPIO_WritePin(SPI_SDIO_GPIO_Port, SPI_SDIO_Pin, bit);
    HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_Port, SPI_SCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_Port, SPI_SCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

16 位模式的处理技巧

在 3 线制下，若想利用硬件 SPI 的 16 位传输能力，需解决“每 9 位为一个周期”与硬件“每 16 位连续时钟”之间的矛盾。常用两种方法：

方法原理实现要点
方法一：屏幕自动截取LCD 控制器的移位寄存器仅保留前 9 位，丢弃后续时钟产生的额外位。发送完整的 16 位数据，其中高 9 位有效（1 位 DC + 8 位数据），低 7 位任意填充（如 0）。发送完毕后拉高 CS，控制器在 CS 上升沿处理已接收的前 9 位，忽略剩余位。
方法二：CS 提前终止在发送完前 9 位后立即拉高 CS，强制终止本次传输，后 7 位不发送。该方法要求硬件能精确控制 CS 的拉高时机，但多数 SPI 外设难以在传输中途改变 CS 状态，故实际较少使用。

推荐方法一：构造 16 位数据 (DC_flag << 8) | data_byte，然后左移 7 位（使有效位对齐到高 9 位），低 7 位补 0。调用 HAL_SPI_Transmit 发送该 16 位数据，并在传输完成后拉高 CS。屏幕控制器将正确解析前 9 位。

4. 关键注意事项

  • 在 GRAM 写模式下，务必保持 DC 为高电平，否则会意外退出数据模式。
  • 对于 4 线制 SPI，发送 8 位命令时禁止使用 16 位传输。
  • 对于 3 线制 SPI 的 16 位传输，必须确保 LCD 控制器能够忽略多余的时钟位（多数主流控制器支持），否则需退回到 8 位模拟方式。
  • 窗口地址设置后不会自动清空，除非重新发送 0x2A / 0x2B 命令覆盖。