一、四根线，分工明确#

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）由摩托罗拉在 1980 年代提出。它的物理层比 I2C 奢侈，标准配置需要 4 根线：

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看到 MOSI/MISO 的名字就知道方向：主机出、从机进；主机进、从机出。比 I2C 一根 SDA 来回倒腾直观得多。

每增加一个从机，就要多一根 CS 线。所以 SPI 的”票价”是 3+N 根线（N 为从机数）。

二、全双工同步：边发边收#

SPI 是同步、全双工通信。主机在 SCLK 的每个边沿（通常是上升沿或下降沿，可配置）同时做两件事：

• 通过 MOSI 发送 1 位给从机

• 通过 MISO 接收 1 位从从机

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1
        ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐
2
SCLK  ──┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘
3
        ↑   ↑   ↑   ↑   ↑   ↑   ↑   ↑
4
       D7  D6  D5  D4  D3  D2  D1  D0
5

6
MOSI  ───┐   ┌───┐       ┌───────┐
7
         └───┘   └───────┘       └────  主机→从机 (发送)
8

9
MISO  ─────┐       ┌───┐   ┌───────┐
10
           └───────┘   └───┘       └─  从机→主机 (接收)

这意味着每发送 1 字节，必然同时收到 1 字节。即使主机只想读不想写，也得往 MOSI 上”扔”点垃圾数据（通常是 0x00 或 0xFF），才能把时钟”转”起来，把 MISO 上的数据”换”回来。

三、片选机制：一主多从的”点名制”#

SPI 没有 I2C 那种”广播地址”的概念。主机想跟谁说话，就把谁的 CS 线拉低，其他从机的 CS 保持高电平，它们就乖乖闭嘴。

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1
主机
2
  │
3
  ├── CS0 ──┬── 从机 A (Flash)
4
  ├── CS1 ──┼── 从机 B (OLED)
5
  ├── CS2 ──┼── 从机 C (ADC)
6
  │         │
7
SCLK ───────┼────── 所有从机共享
8
MOSI ───────┼────── 所有从机共享
9
MISO ◄──────┴────── 所有从机共享（开漏/三态输出，避免冲突）

因为 MISO 是多从机共享的，所以每个从机的 MISO 引脚必须是三态输出（高阻态）——没被选中时，它得变成”透明人”，不能强行拉高或拉低总线，否则会和被选中的从机打架。

四、四种工作模式：CPOL 和 CPHA#

SPI 不像 I2C 那样协议固定，它把时序的灵活性交给了开发者。通过两个配置位决定采样时机：

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组合出 4 种模式（Mode 0~3）：

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1
Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0):  空闲低，上升沿采样，下降沿输出
2
        ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐
3
SCLK  ──┘ └─┘ └─┘
4
       ↑采样  ↑采样
5

6
Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1):  空闲高，下降沿采样，上升沿输出
7
    ──┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌──
8
SCLK   └─┘ └─┘ └─
9
         ↑采样  ↑采样

主机和从机必须约定好同一种模式，否则一个在第 1 个边沿读，一个在第 2 个边沿读，数据就对不上了。这也是 SPI 比 I2C 麻烦的地方——I2C 协议是死的，接上就能聊；SPI 得先对表。

五、没有 ACK，没有地址，没有废话#

SPI 的协议层极其精简，甚至可以说是”没有协议层”：

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SPI 的设计哲学是**“极简、高速、主控全权负责”**。主机发什么、收什么、什么时候选谁，全部由主机软件掌控。从机就是个听话的移位寄存器。

六、速度：SPI 的杀手锏#

SPI 没有 I2C 那种”标准模式”的上限束缚，它的速度只取决于主从双方的硬件能力和 PCB 走线质量：

表格

作为对比，I2C 的 Fast Mode+ 才到 1 MHz，标准模式 100 kHz。SPI 轻松甩它几十条街。

七、SPI vs I2C：全方位对比#

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八、作用域：什么时候选谁？#

九、实际接线示例#

1
MCU (主机)
2
  │
3
  ├── PA0 ─── CS   ───┐
4
  ├── PA1 ─── SCLK ───┼── SCLK
5
  ├── PA2 ─── MOSI ───┼── DI  (Flash 的 Data In)
6
  ├── PA3 ─── MISO ───┼── DO  (Flash 的 Data Out)
7
  │                   │
8
  │              W25Q128 (从机)
9
  └── VCC/GND ────────┴── 电源

1
MCU
2
  │
3
  ├── CS0 ─── 从机 A
4
  ├── CS1 ─── 从机 B
5
  ├── CS2 ─── 从机 C
6
  │
7
SCLK ─────── 所有从机
8
MOSI ─────── 所有从机
9
MISO ◄────── 所有从机（各从机 MISO 需为三态/开漏）

十、总结#

表格

十一、一点延伸#

现代 SPI 已经演化出不少增强版：

• Dual SPI / Quad SPI：用 2 根或 4 根 IO 线同时传数据，速率成倍提升。W25Q 系列 Flash 常支持 Quad SPI，读速可达 80~133 MHz × 4 位。

• QSPI 控制器：MCU 内置的 Quad SPI 外设，可以直接内存映射（XIP），像访问 RAM 一样执行 Flash 里的代码。

• Microwire / SSP / TI SSP：各家厂商对 SPI 的微调变体，大同小异。