SPI相位跟极性介绍

【详解】SPI中的极性CPOL和相位CPHA是什么以及如何设置  

2012-03-0214:34:10|  分类：单片机
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版本：2011-08-15

作者：crifan

联系方式：green-waste (at) 163.com

【背景】

最近在看关于Silicon Labs的C8051F347的某个驱动中，关于SPI部分初始化的代码，看到其对于SPI的设置为CPOL=1，CPHA=0，对于CPOL及CPHA的含义不了解，想要搞懂，这两个参数到底是什么意思，以及为何要这么设置。所以才去找了SPI的极性和相位的相关资料，整理如下。

【SPI基础知识简介】

设备与设备之间通过某种硬件接口通讯，目前存在很多种接口，SPI接口是其中的一种。

SPI中分Master主设备和Slave从设备，数据发送都是由Master控制。

一个master可以接一个或多个slave。

根线：

SCLK：Serial Clock，（串行）时钟

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

SS:         Slave Select，选中从设备，片选

根线），用途算是比较广泛，主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

即一个SPI的Master通过SPI与一个从设备，即上述的那些Flash，ADC等，进行通讯。

而主从设备之间通过SPI进行通讯，首先要保证两者之间时钟SCLK要一致，互相要商量好了，要匹配，否则，就没法正常通讯了，即保证时序上的一致才可正常讯。

而这里的SPI中的时钟和相位，指的就是SCLk时钟的特性，即保证主从设备两者的时钟的特性一致了，以保证两者可以正常实现SPI通讯。

【SPI相关的缩写或说法】

先简单说一下，关于SPI中一些常见的说法：

SPI的极性Polarity和相位Phase，最常见的写法是CPOL和CPHA，不过也有一些其他写法，简单总结如下：

(1) CKPOL (Clock Polarity) = CPOL= POL = Polarity =
（时钟）极性

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

(3) SCK=SCLK=SPI的时钟

(4) Edge=边沿，即时钟电平变化的时刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)

对于一个时钟周期内，有两个edge，分别称为：

的时候；

的时候；

本文采用如下用法：

极性=CPOL

相位=CPHA

SCLK=时钟

第一个边沿和第二个边沿

【SPI的相位和极性】

，对应的四种组合就是：

Mode 0	CPOL=0, CPHA=0
Mode 1	CPOL=0, CPHA=1
Mode 2	CPOL=1, CPHA=0
Mode 3	CPOL=1, CPHA=1

单独看这张图，的确很难明白具体含义，所以下面会有更详细的解释。

【 CPOL极性】

个bit比特数据之前和之后的状态，于此对应的，SCLK在发送数据的时候，就是正常的工作的时候，有效active的时刻了。

先说英文，其精简解释为：Clock Polarity = IDLE state ofSCK。

再用中文详解：

：

CPOL=0，时钟空闲idle时候的电平是低电平，所以当SCLK有效的时候，就是高电平，就是所谓的active-high；

CPOL=1，时钟空闲idle时候的电平是高电平，所以当SCLK有效的时候，就是低电平，就是所谓的active-low；

【 CPHA相位】

首先说明一点，capture strobe = latch = read =sample，都是表示数据采样，数据有效的时刻。

对应着第二个边沿。

对于：

CPHA=0，表示第一个边沿：

对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

CPHA=1，表示第二个边沿：

对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第二个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

用图文形式表示，更加容易看懂：

此处，再多解释一下可能会遇到的CKP和CKE，其是Microchip的PIC系列芯片中的说法。

）CKP是Clock Polarity Select，就是极性=CPOL：

CKP，虽然名字和CPOL不一样，但是都是指时钟相位的选择，定义也一样：

CKP: Clock Polarity Select bit

1 = Idle state for clock (CK) isa high level

0 = Idle state for clock (CK) isa low level

所以不多解释。

）CKE是Clock Edge Select，就是相位=CPHA：

CKE: SPI Clock Edge Select bit

1 = Transmit occurs on transitionfrom active to Idle clock state

0 = Transmit occurs on transitionfrom Idle to active clock state

意思是

1 =（数据）传输发生在时钟从有效状态转到空闲状态的那一时刻

0 =（数据）传输发生在时钟从空闲状态转到有效状态的那一时刻

其中，数据传输的时刻，即图中标出的“数据transmit传输的时刻”，很明显，该时刻是一个时钟和下一个时钟之间交界的地方，对应的不论是上升沿还是下降沿，都与我们前面提到的CPHA=数据采样的时刻，的边沿方向所相反。

所以，此处的CKE，正好与CPHA相反。

所以，CKP和CKE所对应的取值的含义为：

When CKP = 0:

CKE=1 => Data transmitted onrising edge of SCK

CKE=0 => Data transmitted onfalling edge of SCK

When CKP = 1:

CKE=1 => Data transmitted onfalling edge of SCK

CKE=0 => Data transmitted onrising edge of SCK

下面再列出其他一些地方找到的，常见的SPI的四种模式的时序图，供参考：

【如何看懂和记忆CPOL和CPHA】

所以，关于在其他地方介绍的，看似多么复杂难懂难记忆的CPOL和CPHA，其实经过上面解释，就肯容易看懂了：

，那么CPOL=1，

。（对应的是上升沿还是还是下降沿，要根据对应的CPOL的值，才能确定）。

即：

；

。

SCLK的极性，相位，边沿之间的内在逻辑关系

SCLK空闲时刻电压	低电平		CPOL = 0
	高电平			CPOL = 1
数据采样时刻，SCLK的edge是第一个还是第二个	第一个边沿	CPHA = 0	，即上升沿）	下降沿
	第二个边沿	CPHA = 1	下降沿	）

【软件中如何设置SPI的极性和相位】

SPI分主设备和从设备，两者通过SPI协议通讯。

而设置SPI的模式，是从设备的模式，决定了主设备的模式。

所以要先去搞懂从设备的SPI是何种模式，然后再将主设备的SPI的模式，设置和从设备相同的模式，即可正常通讯。

对于从设备的SPI是什么模式，有两种：

）固定的，有SPI从设备硬件决定的

SPI从设备，具体是什么模式，相关的datasheet中会有描述，需要自己去datasheet中找到相关的描述，即：

；

了。

：

CC2500 - Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RFTransceiver的datasheet中SPI的时序图是：

从图中可以看到，最开始的SCLK和结束时候的SCLK，即空闲时刻的SCLK，是低电平，推导出CPOL=0，然后可以看到数据采样的时候，即数据最中间的那一点，对应的是SCLK的第一个边沿，所以CPHA=0（此时对应的是上升沿）。

：

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

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

意思是，数据是在上升沿采样，所以可以断定是CPOL=0，CPHA=0，或者CPOL=1，CPHA=1的模式，但是至于是哪种模式。

，但是datasheet中没有提到这点。

还是1.

）可配置的，由软件自己设定

种模式都支持，此时只要自己设置为某种模式即可。

然后知道了从设备的模式后，再去将SPI主设备的模式，设置为和从设备模式一样，即可。

即可。

举例：

此处遇到的C8051F347中的SPI就是一个SPI的controller控制器，即支持软件配置CPOL和CPHA的值，四种模式都支持，此处C8051F347作为SPI从设备，设置了CPOL=1，CPHA=0的模式，因此，此处对应主芯片Blackfin
F537中的SPI控制器，作为Master主设备，其SPI的模式也要设置为CPOL=1，CPHA=0。

【待解决问题】

对于软件去如何设置主设备（和从设备）的CPOL和CPHA的值，是搞懂了，知道两者要匹配才可以正常通讯，但是对于CPOL和CPHA这四种模式，不同的模式之间，相对来说有何优缺点，比如是否哪种模式更稳定，数据更不容易出错等等，还是不清楚，如果有懂行的，还请告知：green-waste
(at) 163.com

【总结】

1. IT方面的资料，国内的，还是把问题讲明白的太少，想搞懂问题，还是得去找英文的。

2.有问题，指望别人，还是不行的，凡事还是得指望自己，才有用。

【引用资料】

1. 精解SPI的CPHA时钟相位与CPLK时钟极性

http://wenku.baidu.com/view/f493727d27284b73f24250bf.html

2. Serial Peripheral InterfaceBus

http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus

3. SPI Background

http://www.totalphase.com/support/kb/10045/

4. SPI 的时钟配置

http://www.cublog.cn/u3/97851/showart_2304968.html

5. SPI CPHA/CPOL confusion

http://mbed.org/forum/mbed/topic/1031/?page=1#comment-4958

6. SPI通信协议

http://blog.csdn.net/huichengongzi/article/details/6621538

7. 68HC08 Serial PeripheralInterface (SPI) Module

http://www.not2fast.com/electronics/6808/09SPI.pdf

8. CC2500 Low-Cost Low-Power 2.4GHz RF Transceiver

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2500.pdf

9. SSD1289 240 RGB x 320 TFT LCDController Driver

http://www.micro4you.com/files/STM32/SSD1289.pdf

10. Microchip SPI Overview

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/spi.pdf

11. MSSP Module Silicon/DataSheet Errata

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/80131e.pdf

12. ECT 357 - Master Synchronous Serial Port(MSSP) Overview

http://academic.udayton.edu/markpatterson/ECT357/Lecture%2013%20SPI.ppt