正点原子[第二期]Linux之ARM（MX6U）裸机篇学习笔记-24.1,2 SPI驱动实验-SPI协议介绍

前言：

本文是根据哔哩哔哩网站上“正点原子[第二期]Linux之ARM（MX6U）裸机篇”视频的学习笔记，在这里会记录下正点原子 I.MX6ULL 开发板的配套视频教程所作的实验和学习笔记内容。本文大量引用了正点原子教学视频和链接中的内容。

引用：

正点原子IMX6U仓库 (GuangzhouXingyi) - Gitee.com

《【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.5.2.pdf》

正点原子资料下载中心 — 正点原子资料下载中心 1.0.0 文档

SPI学习参考资料：

简述SPI通信协议-01_cpha选择为第一个边沿-CSDN博客

SPI中的CPHA,CPOL详解-CSDN博客

一文搞懂SPI通信协议_spi协议-CSDN博客

摩托罗拉《SPI Block Guide V03.06》手册

链接：https://pan.baidu.com/s/1_mvR5AD0-OBI2bYyx2i4Sw?pwd=f4bo
提取码：f4bo

正文：

本文是 “正点原子[第二期]Linux之ARM（MX6U）裸机篇--第24讲 SPI驱动。本节将参考正点原子的视频教程第24讲和配套的正点原子开发指南文档进行学习。

0. 概述

通I2C一样，SPI是很常用的通信接口，也可以通过SPI来连接众多的传感器。相比I2C接口，SPI接口的通信速度很快，I2C最多400KHz，但是SPI可以到达即使MHz。I.MX6U 也有4个SPI接口，可以通过这4个SPI接口来连接一些SPI外设。I.MX6U-ALHPA使用SPI3接口连接了一个6周传感器 ICM-20608，本章我们就来学习如何使用I.MX6U的SPI接口来驱动ICM-20608，读取ICM-20608的六轴数据。

1. SPI简介

上一章我们讲解了I2C，I2C是串行通信的一种，只需要两根线就可以完成主机和从机之间的通信，但是I2C的速度最高只能到400KHz，如果对于访问速度要求比较高的话I2C就不适合了。本章我们就来学习另外一个和I2C一样广泛使用的串行协议：SPI，SPI的全称是 Serial Peripheral Interface，也就是串行外围设备接口。SPI是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速，全双工的同步通信协议，SPI时钟频率相比I2C要高很多，最高可以工作到上百Mhz。SPI以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，一般SPI需要4根线，但是也可以使用三根线（单向传输），本章我们讲解标准的4线SPI，这4根线如下：

CS/SS, Chip Select/Slave Select，这个是片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。I2C主机是通过发送从机设备地址来选择需要进行通信的从设备的，SPI主机不需要发送从机设备地址，而是直接将相应的从机设备片选信号拉低。
SCK，Serial Clock，串行时钟，和I2C的SCL一样，为SPI通信提供时钟。
MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，简称主出从入线，这根数据线只能用户主机向从机发送数据，也就是主机输出，从机输入。
MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，简称主入从出线，这根数据线只能用于从机向主机发送数据，也就是主机输入，从机输出。

SPI 通信都是由主机发起的，主机需要提供通信的时钟信号。主机通过SPI线连接多个从设备的结构如下图所示：

1.1 SPI工作模式

SPI由四种工作模式，通过串行时钟极性（CPOL: Clock Polity）和相位（CPHA：Clock Phase）的搭配来得到四种工作模式：

值	描述
CPOL=0	串行时钟空闲状态为低电平
CPOL=1	串行时钟空闲状态为高电平此时可以通过配置时钟相位CPHA（Clock Phase）来选择具体的传输协议
CPHA=0	串行时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）来采集数据
CPHA=1	串行时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）来采集数据

这四种工作模式如下图所示：

跟I2C一样，SPI也是有时序图的，以CPOL=0，CPHA=0（正点原子提供的指导文档这里应该是写错了，从下面采样时序图来看是在第二个时钟沿采样MISO/MOSI数据的，应该是CPHA=1）这个工作模式为例，SPI进行全双工通信的时序图如下图所示：

CPOL=0, CPHA=1，Mode0 工作模式：在空闲状态的时候，SCLK为低电平，CPHA=1在第二个时钟沿采样，所以是在从高电平跳变为低电平，也就是下降沿沿进行数据采样。

从图中可以看出，SPI的时序图很简单，不像I2C那样还要分为读时序和写时序，因为SPI是全双工的，所以读写时序在一起同时完成。上图中，CS片选信号先拉低，选中需要通信的从设备，然后通过MOSI和MISO这两根数据线进行收发数据，MOSI数据线发出了 0XD2 这个数据给从机，同时从设备也通过MISO线给主机返回了 0X66 这个数据。这个就是SPI的时序图。

1.2 什么是SPI的 CPHA 第一个上升沿，第二个上升沿？

SPI协议的CPHA（Clock Phase）相位决定是在第一个跳变沿还是在第二个跳变沿采集数据，那么什么时第一个跳变沿，什么又是第二个跳变沿哪？问下"百度AI助手好了"，结果输出如下：

但是，百度AI助手大模型这里总结提炼的东西大部分是正确，但是中间的CPOL(Clock Polarity)和CPHA(Clock Phase)组合之后的采集沿是在第一个跳变沿采集还是在第二个跳变沿采集，百度AI助手大模型搞错了。这就是AI大模型助手的问题，有时间会给出看似正确但是实际上细节错误的东西。

不过这些百度AI助手提取出来的信息对于我来讲还是有效的，第一它给出了一些SPI CPOL(Clock Polarity)和CPHA(Clock Phase)的组合概念提炼，第二它给出了引用链接来源，我去读一下它的引用链接不就能得到有用信息了么，赞。

把百度AI助手提供的有用信息总结一下就是：

SPI协议中的CPHA（Clock Phase）决定了数据传输采样和移位方式，具体涉及到时钟信号的跳变沿。在一个时钟周期内，会有两次跳变沿：上升沿（从低电平到高电平的变化）和下降沿（从高电平到低电平的变化）。

当CPHA=0时，表示数据在使用信号的第一个跳变沿（即上升沿或下降沿，具体取决于CPOL的设置）进行采样。
当CPHA=1时，表示数据在时钟信号的第二个跳变边沿进行采样。

结合CPOL（Clock Polarity）的设置，可以形成SPI的四种工作模式：

Mode0 (CPOL=0, CPHA=0)：数据在时钟的第一个跳变沿采样，因为CPOL=0 低电平表示空闲Idle，所以第一个跳变沿是上升沿（由低到高）采样。
Mode1 (CPOL=0, CPHA=1)：数据在时钟的第二个跳变沿采样，因为CPOL=0 低电平表示空闲Idle，所以第二个跳变沿是下降沿（由高到低）采样。
Mode2 (CPOL=1, CPHA=0)：数据在时钟的第一个跳变沿采样，因为CPOL=1 高电平表示空闲Idle，所以第一个跳变沿是下降沿（由高到低）采样。
Mode3(CPOL=1, CPHA=1)：数据在时钟的第二个跳变沿采样，因为CPOL=1 高电平表示空闲Idle，所以第二个跳变沿是上升沿（由低到高）采样。

参考如下链接里的博文，给出了总结的图片，图片总结的很完备了

SPI中的CPHA,CPOL详解-CSDN博客

2. SPI协议更多扩展知识和资料

SPI协议更多扩展知识和资料见如下的引用博文和引用链接：

Introduction to SPI interface - NXP Community

SPI-DirectC v2021.1 User Guide

SPI有关CPOL和CPHA的时序图-CSDN博客

简述SPI通信协议-01-CSDN博客

一文搞懂SPI通信协议_spi协议-CSDN博客

SPI中的CPHA,CPOL详解-CSDN博客

有线通信--一文弄懂SPI--（基础篇）_spi 是无线还是有线-CSDN博客

下面内容引用自：不脱发的程序员

1 简介

SPI是串行外设接口（Serial Periphaeral Interface）的缩写，是美国摩托罗拉公司（Motorla）最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口，是一个汇总高速，全双工，同步通信总线，所以可以在同一时间发送和接收数据，SPI没有定义速度限制，通常能达到甚至超过10Mbps。

SPI由主，从两种模式，通常由一个主模块和一个或多个从模块组成（SPI不支持多主机），主模块选择一个从模块进行通信，从而完成数据的交换。提供时钟的为主设备（Master），接受时钟的为从设备（Slave），SPI的时钟永远由主设备提供，SPI接口的读写操作，都是由主设备发起，当存在多个从设备时，通过各自的片选信号（Chip Select）进行管理。

SPI工薪原理很简单，需要至少4根线，单向传输时需要3根线，它们是：MISO，MOSI，SCLK，和CS/SS。

MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出
MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入
SCLK（Serial Clock）：串行时钟，由主设备产生
CS/SS（Chip Select/Slave Select）：片选信号，从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先定义的使能信号（高电平或者低电平），主芯片对此从芯片的操作才有效。

一主一从模式

一主多从模式。

2 通信原理

SPI主设备和从设备都有一个串行移位寄存器，主设备通过向它的串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。

SPI数据通信的流程可以分为一下几步：

主设备发起信号，将CS/SS拉低，启动通信
主设备发送时钟信号，来高速从设备进行写数据或者读数据操作（采集时机可能是时钟的上升沿（电平从低到高）或下降沿（电平从高到低），因为SPI由四种工作模式，后面会讲到），它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一个数据（1bit）。
主机（Master）将要发送的数据写到发送数据缓冲区（Memory），缓冲区经过移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置），串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的传送给从机，同时MISO接口接收数据通过移位寄存器一位一位移到接收缓存区。
从机（Slave）也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接受主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

例如，如下示例中简单的模拟了SPI通信的流程，主机拉低NSS片选信号，启动通信，并且（主机）产生时钟信号，上升沿触发边沿信号，主机在MOSI线路一位一位发送数据 )X53，在MISO线路一位一位接收数据0X46，如下图所示。

备注：这里MISO，MOSI的数据发送和接收是同一个时间域，原博文的作者表示这个图只是一个示意图，原博解释这个图MISO，MOSI画成了串行的并解释说只是一个示意图。

这里有一点需要着重说明一下：SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。若只进行写操作，主机只需忽略接受到的字节（虚假数据）；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据，你要收一个数据必须也要发一个数据。

3. 通信特性

3.1 设备选择

SPI是单主设备（Single Master）通信协议，只有一支主设备能发起通信，当SPI主设备向读/写从设备时，它首先拉低从设备对应的SS线（SS是低电平有效）。接着开始发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，主设备把信号发送到MOSI实现“写”，同时对MISO采样实现“读”。如下图所示：

3.2 设备时钟

SPI色时钟特点主要包括：时钟频率，时钟极性，和时钟相位三方面。

3.2.1 时钟频率

SPI总线上的主设备必须在通信开始的时候配置并生成相应的时钟信号。从理论上将，只要实际可行，时钟频率可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于系统能够提供多大的时钟频率，以及SPI传输速率。

3.2.2 时钟极性

根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性土场写位CKP（ClocK Polarity）或者CPOL（Clock Polarity）。时钟极性和相位共同决定了读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据。

CKP（ClocK Polarity）可以配置为1或者0。这意味着你可以根据需要将默认状态（Idle：空闲）设置为高或低。极性翻转可以通过简单的逻辑逆变器实现。你必须参考设备的数据手册才能设置正确的CKP和CKE。

CKP=0：时钟空闲IDLE为低电平0。
CKP=1：时钟空闲IDLE为高电平1。

3.2.3 时钟相位

根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE（ClocK pHase）或者CPHA（Clock Phase）。顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿：

CKE=0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
CKE=1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样；

3.3 四种模式

根据SPI的时钟极性和时钟相位特性可以设置4中不同的SPI通信操作模式，它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转有序列表换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（也就是时钟信号无效时是高还是低），详情见如下：

Mode0：CPOL=0，CPHA=0：当空闲状态时，SCK处于低电平，数据采集是在第一个边沿，也就是SCK由低电平到高电平的跳变，所以数据采集发生在上升沿（接收数据），数据发送是在下降沿。
Mode1：CPOL=0，CPHA=1：当空闲状态时，SCK处于低电平，数据采集是在第二个边沿，也就是SCK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集发生在下降沿，数据发送是在上升沿。
Mode2：CPOL=1，CHPA=0：当空闲状态时，SCK处于高电平，数据采集是在第一个边沿，也就是SCK从高电平变为低电平，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。
Mode3：CPOL=1，CPHA=1：当空闲状态时，SCK处于高电平，数据采集是在第二个边沿，也就是SCK从低电平变为高电平，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。