硬件（十四）SPI通信协议
一、SPI 基本概念与四线制信号线作用
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步的串行通信总线，广泛应用于 EEPROM、FLASH、实时时钟、AD 转换器、数字信号处理器与解码器等设备间的通信，仅需占用芯片四根管脚（四线制）。
四线制 SPI 的四根信号线及作用如下：
- SCLK（Serial Clock）：时钟信号线，由主机提供，用于同步所有设备的数据传输。
- MOSI（Master Out Slave In）：主出从入线，是主机向从机发送数据的通道。
- MISO（Master In Slave Out）：主入从出线，是从机向主机返回数据的通道。
- CS（Chip Select）：片选信号线，用于选择总线上的目标从机（低电平有效）。与 I2C 不同，SPI 无从机地址概念，同一时刻总线仅能通过 CS 选中一个外设；若仅保留 MOSI 或 MISO，还可实现单工通信。
二、时钟极性（CPOL）与时钟相位（CPHA）
1. 时钟极性（Clock Polarity 简称CPOL）
规定时钟信号线（SCLK）在空闲状态（无数据传输时）的电平：
- CPOL = 0：空闲时 SCLK 为低电平；
- CPOL = 1：空闲时 SCLK 为高电平。
2. 时钟相位（Clock Phase简称CPHA）
决定数据在 SCLK 的哪个边沿（上升沿 / 下降沿）被采样：
- CPHA = 0：在 SCLK 信号变化的第一个边沿（空闲态 → 活跃态的跳变沿）采样；
- CPHA = 1：在 SCLK 信号变化的第二个边沿（活跃态 → 空闲态的跳变沿）采样。
三、SPI 的四种时序模式
由于 CPOL（2 种取值）和 CPHA（2 种取值）的组合方式共有 2×2=4 种，因此 SPI 时序分为四种模式，具体如下：
| 模式（Mode） | CPOL（时钟极性） | CPHA（时钟相位） | 空闲时 SCLK 电平 | 数据采样边沿 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 低电平 | 上升沿（低→高） |
| 1 | 0 | 1 | 低电平 | 下降沿（高→低） |
| 2 | 1 | 0 | 高电平 | 下降沿（高→低） |
| 3 | 1 | 1 | 高电平 | 上升沿（低→高） |
注意：SPI 通信时，主机与从机必须工作在相同的时序模式，否则会因采样时机不匹配导致数据错误。
四、I.MX6ULL 的 ECSPI 外设
I.MX6ULL 自带的 SPI 外设称为 ECSPI（Enhanced Configurable Serial Peripheral Interface），本质仍是 SPI，具备以下特性：
1. 基本能力
- 支持主模式 / 从模式，通常使用主模式；
- 有 4 个 ECSPI 外设，每个 ECSPI 支持4 个硬件片选信号，可连接 4 个外设；
- 配备 64×32 位的接收 FIFO（RXFIFO）和发送 FIFO（TXFIFO），提升数据吞吐效率。
2. 重要寄存器
（1）ECSPIx_CONREG（控制寄存器）
- BURST LENGTH（bit31:20）：设置 SPI 突发传输数据长度，范围 1∼212 bit，通常设为 8 bit（即
BURST_LENGTH = 7）。 - CHANNEL SELECT（bit19:18）：选择 SPI 通道（如连接 ADXL345 时选通道 0）。
- PRE_DIVIDER（bit15:12）、POST_DIVIDER（bit11:8）：两步分频设置，用于调整 SPI 时钟频率（时钟源为
pll3_sw_clk = 480MHz，经静态 8 分频后为 60MHz）。 - CHANNEL MODE（bit7:4）：设置通道为主 / 从模式（
0为从模式，1为主模式）。 - EN（bit0）：SPI 使能位（
0关闭，1使能）。
（2）ECSPIx_CONFIGREG（配置寄存器）
- SCLK_CTL（bit23:20）：设置 SCLK 空闲电平（
0为低电平，1为高电平）。 - SCLK_POL（bit7:4）：设置时钟极性（即 CPOL，对应通道 3~0）。
- SCLK_PHA（bit3:0）：设置时钟相位（即 CPHA，对应通道 3~0）。
- SS_POL（bit15:12）：设置片选信号极性（
0低电平有效，1高电平有效）。
（3）ECSPIx_PERIODREG（周期寄存器）
- CSD_CTL（bit21:16）：设置片选信号与第一个 SCLK 信号的延时（范围 0~63）。
- CSRC（bit15）：选择时钟源（
0选 SPI CLK，1选 32.768KHz 晶振，通常选 SPI CLK）。
（4）ECSPIx_STATREG（状态寄存器）
- TC（bit7）：传输完成标志（
0传输中，1传输完成）。 - RF（bit5）：RXFIFO 空标志（
0不为空，1为空）。 - TF（bit2）：TXFIFO 满标志（
0不为满，1为满）。
（5）数据寄存器
- ECSPIx_TXDATA：32 位发送数据寄存器，向其写入数据可发起 SPI 传输。
- ECSPIx_RXDATA：32 位接收数据寄存器，读取其值可获取 SPI 接收的数据。
五、ADXL345 三轴加速度传感器与 SPI 通信
ADXL345 是一款支持 SPI（3 线 / 4 线模式）与 I2C 接口的三轴加速度传感器，特性如下：
1. 核心参数
- 测量范围：±2g、±4g、±8g、±16g 可选；
- 分辨率：最高 13 位（3.9mg/LSB）；
- 工作电压：2.0V ~ 3.6V；
- 低功耗：测量模式仅 0.23mA，待机模式 40μA。
2. 核心功能
- 三轴加速度（X、Y、Z 轴）测量；
- 静态重力加速度、动态加速度（震动、运动）测量；
- 自由落体、单击 / 双击、活动 / 非活动监测。
3. SPI 通信细节（四线制模式）
ADXL345 采用 SPI 模式 3（CPOL=1，CPHA=1），且寄存器读写有特殊规则：
- 写寄存器：寄存器地址最高位为
0，例如写0x20寄存器时，先发送0x20，再发送写入数据。 - 读寄存器：寄存器地址最高位为
1，例如读0x20寄存器时，先发送0xA0（0x20 | 0x80），再进入读取时序获取数据。