怎样理解SPI总线时钟的极性(CPOL)与相位(CPHA)？

1万 · 2023-12-13 22:41

在单片机与外围设备的通信中，SPI总线是一种常用的通信方式。SPI是英文"Serial Periphral Interface"的缩写，中文翻译为"串行外围设备接口"。今天这篇文章，我们就来谈谈SPI通信的原理，并详细讨论下总线时钟的极性与相位。

SPI（Serial Periphral Interface）最早是由摩托罗拉公司设计并实现，它是一种高速的、全双工的通信总线，采用主机（Master）-从机（Slave）的方式进行通信。SPI占用芯片的四个引脚，也就是说采用四条信号线来进行通信。这四条线分别是：主设备输入与从设备输出线（Master In Slave Out，MISO）；主设备输出与从设备输入线（Master Out Slave In，MOSI）；串行同步时钟信号线（Serial Clock，SCK）；外围设备片选信号线（Slave Selection，SS）。

SPI总线的主机和从机都有一个移位寄存器，当主机向自己的移位寄存器写入数据时，数据会通过MOSI信号线进入到从机的移位寄存器；同时，从机移位寄存器里的数据，通过MISO信号线进入到主机的移位寄存器。这样，主机和从机就完成了一次数据交换。下面这张图，是SPI通信的简明原理图：

SPI数据的传输是在串行同步时钟信号（Serial Clock,SCK）的控制下进行的。主机的时钟发生器一方面控制主机的移位寄存器，另一方面通过从机的SCK信号线来控制从机的移位寄存器，从而保证主机与从机的数据交换是同步进行的。

SPI串行同步时钟可以设置为不同的极性（Clock Polarity ，CPOL）与相位（Clock Phase ，CPHA）。

时钟的极性（CPOL）用来决定在总线空闲时，同步时钟（SCK）信号线上的电位是高电平还是低电平。当时钟极性为0时（CPOL=0），SCK信号线在空闲时为低电平；当时钟极性为1时（CPOL=1），SCK信号线在空闲时为高电平；

时钟的相位（CPHA）用来决定何时进行信号采样。

当时钟相位为1时（CPHA=1），在SCK信号线的第二个跳变沿进行采样；这里的跳变沿究竟是上升沿还是下降沿？取决于时钟的极性。当时钟极性为0时，取下降沿；当时钟极性为1时，取上升沿；如下图：

当时钟相位为0时（CPHA=0），在SCK信号线的第一个跳变沿进行采样。跳变沿同样与时钟极性有关：当时钟极性为0时，取上升沿；当时钟极性为1时，取下降沿；如下图：

1万 · 2024-2-2 20:49

时钟极性（CPOL）‌ 决定了时钟信号在空闲状态下的电平。如果CPOL=0，那么在空闲状态时SCK（Serial Clock）信号是低电平；如果CPOL=1，则在空闲状态时SCK信号是高电平。换句话说，CPOL的值反映了时钟信号的默认电平状态。

只看该作者 · 2024-2-3 08:35

CPHA决定了在哪个时钟跳变沿进行数据采样。具体来说，当CPHA为0时，表示在时钟信号的第一个跳变沿进行数据采样；而当CPHA为1时，表示在时钟信号的第二个跳变沿进行数据采样。需要注意的是，这里的“第一个”和“第二个”跳变沿是相对于数据传输的开始而言的，而不是指整个通信过程中的第一个和第二个跳变沿。

1万 · 2024-2-3 17:05

SCLK线用于同步数据传输，它的极性（CPOL）和相位（CPHA）决定了数据传输的时钟特性。

只看该作者 · 2024-2-3 17:34

时钟极性决定了数据采样和传输是在时钟线的上升沿还是下降沿进行。

1万 · 2024-2-3 19:35

在实际应用中，选择合适的CPOL和CPHA设置通常取决于数据的时序要求和设备的特性。例如，如果数据需要在时钟的第一个边沿采样以减少延迟，则选择模式0或模式2。如果数据采样和传输在时钟的第二个边沿更为合适，则选择模式1或模式3。

只看该作者 · 2024-2-3 22:03

理解CPOL和CPHA的设置对于确保SPI通信的正确性至关重要

2万 · 2024-2-4 20:58

SPI总线的两个关键参数是时钟极性CPOL（Clock Polarity）和时钟相位CPHA（Clock Phase），它们共同决定了数据采样和移出的精确时刻。

只看该作者 · 2024-2-5 10:41

只看该作者 · 2024-2-5 11:54

时钟相位指的是数据采样相对于时钟边沿的时间点。
如果CPHA为0，则数据采样发生在时钟的第一个边沿（上升沿或下降沿，由CPOL决定）。
如果CPHA为1，则数据采样发生在时钟的第二个边沿（上升沿或下降沿，由CPOL决定）。

只看该作者 · 2024-2-5 12:53

CPOL和CPHA的组合决定了SPI总线的时钟信号的特定模式，常见的模式有以下四种：

Mode 0：CPOL=0，CPHA=0。时钟信号在空闲状态时为低电平，在上升沿采样数据。
Mode 1：CPOL=0，CPHA=1。时钟信号在空闲状态时为低电平，在下降沿采样数据。
Mode 2：CPOL=1，CPHA=0。时钟信号在空闲状态时为高电平，在上升沿采样数据。
Mode 3：CPOL=1，CPHA=1。时钟信号在空闲状态时为高电平，在下降沿采样数据。