SPI（Serial Peripheral Interface，序列外設介面）是Motorola公司提出的一種同步序列資料傳輸標準，是一種高速的，全雙工，同步的通訊匯流排，在很多器件中被廣泛應用。

SPI相關縮寫

SS: Slave Select，選中從裝置，片選。

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

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

SCK = SCLK = SCL = SPI的時鐘（Serial Clock）

Edge = 邊沿，即時鐘電平變化的時刻，即上升沿

對於一個時鐘週期內，有兩個edge，分別稱為：

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；

介面

SPI介面經常被稱為4線序列匯流排，以主/從方式工作，資料傳輸過程由主機初始化。

如圖1所示，其使用的4條訊號線分別為：

1) SCLK：序列時鐘，用來同步資料傳輸，由主機輸出；

2) MOSI：主機輸出從機輸入（Master Output Slaver Input）資料線；

3) MISO：主機輸入從機輸出資料線；

4) SS：片選線，低電平有效，由主機輸出。

在SPI總線上，某一時刻可以出現多個從機，但只能存在一個主機，主機通過片選線來確定要通訊的從機。這就要求從機的MISO口具有三態特性，使得該口線在器件未被選通時表現為高阻抗。

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等的Slaver SPI進行通訊。

資料傳輸

在一個SPI時鐘週期內，會完成如下操作：

1) 主機通過MOSI線傳送1位資料，從機通過該線讀取這1位資料；

2) 從機通過MISO線傳送1位資料，主機通過該線讀取這1位資料。

這是通過移位暫存器來實現的。如圖2所示，主機和從機各有一個移位暫存器，且二者連線成環。隨著時鐘脈衝，資料按照從高位到低位的方式依次移出主機暫存器和從機暫存器，並且依次移入從機暫存器和主機暫存器。當暫存器中的內容全部移出時，相當於完成了兩個暫存器內容的交換。

時鐘極性和時鐘相位

在SPI操作中，最重要的兩項設定就是時鐘極性（CPOL或UCCKPL）和時鐘相位（CPHA或UCCKPH）。時鐘極性設定時鐘空閒時的電平，時鐘相位設定讀取資料和傳送資料的時鐘沿。

主機和從機的傳送資料是同時完成的，兩者的接收資料也是同時完成的。所以為了保證主從機正確通訊，應使得它們的SPI具有相同的時鐘極性和時鐘相位。

CPOL極性

先說什麼是SCLK時鐘的空閒時刻，其就是當SCLK在傳送8個bit位元資料之前和之後的狀態，與此對應的，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。

CPOL=0：

對於CPHA=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CPHA=1，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；

CPOL=1：

對於CPHA=0，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；

對於CPHA=1，idle時候的是高電平，第二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：

CKP和CKE

CKP和CKE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，但是都是指時鐘極性的選擇，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，即上圖中標出的“資料transmit傳輸的時刻”。

所以，CKP和CKE所對應的取值的含義為：

When CKP = 0:

CKE=0 => Data transmitted on rising edge of SCK（idle時候是低電平，從空閒到有效，就是從低電平到高電平，所以是上升沿）

CKE=1 => Data transmitted on falling edge of SCK（idle時候是低電平，從有效到空閒，就是從高電平到低電平，所以是下降沿）

When CKP = 1:

CKE=0 => Data transmitted on falling edge of SCK（idle時候是高電平，從空閒到有效，就是從高電平到低電平，所以是下降沿）

CKE=1 => Data transmitted on rising edge of SCK（idle時候是高電平，從有效到空閒，就是從低電平到高電平，所以是上升沿）

舉例來說，分別選取MSP430控制器和OLED驅動SH1101A為主從機，圖3和圖4為它們的SPI時序。由圖4可知，SH1101A的SPI時鐘空閒時為高電平，並且在後時鐘沿接收資料（後時鐘沿在資料的中間部位），則MSP430控制器SPI的設定應與此保持一致。從圖3中可以看出，要使得時鐘在空閒時為高電平，應將UCCKPL置1；要使得在後時鐘沿接收資料，應將UCCKPH清零。

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，如果時鐘SCLK的起始電平是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。

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。

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，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 everyrising 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。

優缺點

SPI介面具有如下優點：

1) 支援全雙工操作；

2) 操作簡單；

3) 資料傳輸速率較高。

同時，它也具有如下缺點：

1) 需要佔用主機較多的口線（每個從機都需要一根片選線）；

2) 只支援單個主機。