【SPI基礎知識簡介】

裝置與裝置之間通過某種硬體介面通訊，目前存在很多種介面，SPI介面是其中的一種。

SPI中分Master主裝置和Slave從裝置，資料傳送都是由Master控制。

一個master可以接一個或多個slave。

常見用法是一個Master接一個slave，只需要4根線：

SCLK：Serial Clock，（序列）時鐘

MISO：Master In Slave Out，主裝置輸入，從裝置輸出

MOSI：Master Out  Slave In，主裝置輸出，從裝置輸入

SS:          Slave Select，選中從裝置，片選

SPI由於介面相對簡單（只需要4根線），用途算是比較廣泛，主要應用在 EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數字訊號處理器和數字訊號解碼器之間。
即一個SPI的Master通過SPI與一個從裝置，即上述的那些Flash，ADC等，進行通訊。
而主從裝置之間通過SPI進行通訊，首先要保證兩者之間時鐘SCLK要一致，互相要商量好了，要匹配，否則，就沒法正常通訊了，即保證時序上的一致才可正常訊。
而這裡的SPI中的時鐘和相位，指的就是SCLk時鐘的特性，即保證主從裝置兩者的時鐘的特性一致了，以保證兩者可以正常實現SPI通訊。

【SPI相關的縮寫或說法】

先簡單說一下，關於SPI中一些常見的說法：

SPI的極性Polarity和相位Phase，最常見的寫法是CPOL和CPHA，不過也有一些其他寫法，簡單總結如下：

(1) CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （時鐘）極性

(2) CKPHA (Clock Phase)   = CPHA = PHA = Phase = （時鐘）相位

(3) SCK=SCLK=SPI的時鐘

(4) Edge=邊沿，即時鐘電平變化的時刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)

對於一個時鐘週期內，有兩個

Leading edge=前一個邊沿=第一個邊沿，對於開始電壓是1，那麼就是1變成0的時候，對於開始電壓是0，那麼就是0變成1的時候；

Trailing edge=後一個邊沿=第二個邊沿，對於開始電壓是1，那麼就是0變成1的時候（即在第一次1變成0之後，才可能有後面的0變成1），對於開始電壓是0，那麼就是1變成0的時候；

本文采用如下用法：

極性=CPOL

相位=CPHA

SCLK=時鐘

第一個邊沿和第二個邊沿

【SPI的相位和極性】

CPOL和CPHA，分別都可以是0或時1，對應的四種組合就是：

單獨看這張圖，的確很難明白具體含義，所以下面會有更詳細的解釋。

【 CPOL極性】

先說什麼是SCLK時鐘的空閒時刻，其就是當SCLK在數傳送8個bit位元資料之前和之後的狀態，於此對應的，SCLK在傳送資料的時候，就是正常的工作的時候，有效active的時刻了。

先說英文，其精簡解釋為：Clock Polarity = IDLE state of SCK。

再用中文詳解：

SPI的CPOL，表示當SCLK空閒idle的時候，其電平的值是低電平0還是高電平1：

CPOL=0，時鐘空閒idle時候的電平是低電平，所以當SCLK有效的時候，就是高電平，就是所謂的active-high；

CPOL=1，時鐘空閒idle時候的電平是高電平，所以當SCLK有效的時候，就是低電平，就是所謂的active-low；

【 CPHA相位】

首先說明一點，capture strobe = latch = read = sample，都是表示資料取樣，資料有效的時刻。

相位，對應著資料取樣是在第幾個邊沿（edge），是第一個邊沿還是第二個邊沿，0對應著第一個邊沿，1對應著第二個邊沿。

對於：

CPHA=0，表示第一個邊沿：

對於CPOL=0，idle時候的是低電平，第一個邊沿就是從低變到高，所以是上升沿；

對於CPOL=1，idle時候的是高電平，第一個邊沿就是從高變到低，所以是下降沿；

CPHA=1，表示第二個邊沿：

對於CPOL=0，idle時候的是低電平，第二個邊沿就是從高變到低，所以是下降沿；

對於CPOL=1，idle時候的是高電平，第一個邊沿就是從低變到高，所以是上升沿；

用圖文形式表示，更加容易看懂：

此處，再多解釋一下可能會遇到的CKP和CKE，其是Microchip的PIC系列晶片中的說法。

（1）CKP是Clock Polarity Select，就是極性=CPOL：

CKP，雖然名字和CPOL不一樣，但是都是指時鐘相位的選擇，定義也一樣：

CKP: Clock Polarity Select bit

1 = Idle state for clock (CK) is a high level

0 = Idle state for clock (CK) is a low level

所以不多解釋。

（2）CKE是Clock Edge Select，就是相位=CPHA：

CKE: SPI Clock Edge Select bit

1 = Transmit occurs on transition from active to Idle clock state

0 = Transmit occurs on transition from Idle to active clock state

意思是

1 =（資料）傳輸發生在時鐘從有效狀態轉到空閒狀態的那一時刻

0 =（資料）傳輸發生在時鐘從空閒狀態轉到有效狀態的那一時刻

其中，資料傳輸的時刻，即圖中標出的“資料transmit傳輸的時刻”，很明顯，該時刻是一個時鐘和下一個時鐘之間交界的地方，對應的不論是上升沿還是下降沿，都與我們前面提到的CPHA=資料取樣的時刻，的邊沿方向所相反。

所以，此處的CKE，正好與CPHA相反。

所以，CKP和CKE所對應的取值的含義為：

When CKP = 0:

CKE=1 => Data transmitted on rising edge of SCK

CKE=0 => Data transmitted on falling edge of SCK

When CKP = 1:

CKE=1 => Data transmitted on falling edge of SCK

CKE=0 => Data transmitted on rising edge of SCK

下面再列出其他一些地方找到的，常見的SPI的四種模式的時序圖，供參考：

【如何看懂和記憶CPOL和CPHA】

所以，關於在其他地方介紹的，看似多麼複雜難懂難記憶的CPOL和CPHA，其實經過上面解釋，就肯容易看懂了：

去看時序圖，如果起始的始終SCLK的電平是0，那麼CPOL=0，如果是1，那麼CPOL=1，

然後看資料取樣時刻，即時序圖資料線上的資料那個矩形區域的中間所對應的位置，對應到上面SCLK時鐘的位置，對應著是第一個邊沿或是第二個邊沿，即CPHA是0或1。（對應的是上升沿還是還是下降沿，要根據對應的CPOL的值，才能確定）。

即：

（1）如何判斷CPOL：SCLK的空閒時候的電壓，是0還是1，決定了CPOL是0還是1；

（2）如何判斷CPHA：而資料取樣時刻對應著的SCLK的電平，是第一個邊沿還是第二個邊沿，對應著CPHA為0還是1。

SCLK的極性，相位，邊沿之間的內在邏輯關係

【軟體中如何設定SPI的極性和相位】

SPI分主裝置和從裝置，兩者通過SPI協議通訊。

而設定SPI的模式，是從裝置的模式，決定了主裝置的模式。

所以要先去搞懂從裝置的SPI是何種模式，然後再將主裝置的SPI的模式，設定和從裝置相同的模式，即可正常通訊。

對於從裝置的SPI是什麼模式，有兩種：

（1）固定的，有SPI從裝置硬體決定的

SPI從裝置，具體是什麼模式，相關的datasheet中會有描述，需要自己去datasheet中找到相關的描述，即：

關於SPI從裝置，在空閒的時候，是高電平還是低電平，即決定了CPOL是0還是1；

然後再找到關於裝置是在上升沿還是下降沿去取樣資料，這樣就是，在定了CPOL的值的前提下，對應著可以推算出CPHA是0還是1了。

舉例1：

CC2500 - Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver的datasheet中SPI的時序圖是：

從圖中可以看到，最開始的SCLK和結束時候的SCLK，即空閒時刻的SCLK，是低電平，推匯出CPOL=0，然後可以看到資料取樣的時候，即資料最中間的那一點，對應的是SCLK的第一個邊沿，所以CPHA=0（此時對應的是上升沿）。

舉例2：

SSD1289 - 240 RGB x 320 TFT LCD Controller Driver的datasheet中提到：

“SDI is shifted into 8-bit shift register on every rising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.”

意思是，資料是在上升沿取樣，所以可以斷定是CPOL=0，CPHA=0，或者CPOL=1，CPHA=1的模式，但是至於是哪種模式。

按理來說，接下來應該再去確定SCLK空閒時候是高電平還是低電平，用以確定CPOL是0還是1，但是datasheet中沒有提到這點。

所以，此處，目前不太確定，是兩種模式都支援，還是需要額外找證據卻確定CPOL是0還是1.

（2）可配置的，由軟體自己設定

從裝置也是一個SPI控制器，4種模式都支援，此時只要自己設定為某種模式即可。

然後知道了從裝置的模式後，再去將SPI主裝置的模式，設定為和從裝置模式一樣，即可。

對於如何配置SPI的CPOL和CPHA的話，不多細說，多數都是直接去寫對應的SPI控制器中對應暫存器中的CPOL和CPHA那兩位，寫0或寫1即可。

舉例：

此處遇到的C8051F347中的SPI就是一個SPI的controller控制器，即支援軟體配置CPOL和CPHA的值，四種模式都支援，此處C8051F347作為SPI從裝置，設定了CPOL=1，CPHA=0的模式，因此，此處對應主晶片Blackfin F537中的SPI控制器，作為Master主裝置，其SPI的模式也要設定為CPOL=1，CPHA=0。

【待解決問題】

對於軟體去如何設定主裝置（和 從裝置）的CPOL和CPHA的值，是搞懂了，知道兩者要匹配才可以正常通訊，但是對於CPOL和CPHA這四種模式，不同的模式之間，相對來說有何優缺點，比如是否哪種模式更穩定，資料更不容易出錯等等，還是不清楚