【详解】SPI中的极性CPOL和相位CPHA是什么以及如何设置

【详解】SPI中的极性CPOL和相位CPHA是什么以及如何设置版本：2011-08-15作者：crifan联系方式：green-waste(at)163.com【背景】最近在看关于SiliconLabs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。常见用法是一个Master接一个slave，只需要4根线：SCLK：SerialClock，（串行）时钟MISO：MasterInSlaveOut，主设备输入，从设备输出MOSI：MasterOutSlaveIn，主设备输出，从设备输入SS:SlaveSelect，选中从设备，片选SPI由于接口相对简单（只需要4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(ClockPolarity)=CPOL=POL=Polarity=（时钟）极性(2)CKPHA(ClockPhase)=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(risingedge)或者下降沿(fallingedge)对于一个时钟周期内，有两个edge，分别称为：Leadingedge=前一个边沿=第一个边沿，对于开始电压是1，那么就是1变成0的时候，对于开始电压是0，那么就是0变成1的时候；Trailingedge=后一个边沿=第二个边沿，对于开始电压是1，那么就是0变成1的时候（即在第一次1变成0之后，才可能有后面的0变成1），对于开始电压是0，那么就是1变成0的时候；本文采用如下用法：极性=CPOL相位=CPHASCLK=时钟第一个边沿和第二个边沿【SPI的相位和极性】CPOL和CPHA，分别都可以是0或时1，对应的四种组合就是：Mode0CPOL=0，CPHA=0Mode1CPOL=0，CPHA=1Mode2CPOL=1，CPHA=0Mode3CPOL=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】先说什么是SCLK时钟的空闲时刻，其就是当SCLK在数发送8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：ClockPolarity=IDLEstateofSCK。再用中文详解：SPI的CPOL，表示当SCLK空闲idle的时候，其电平的值是低电平0还是高电平1：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，capturestrobe=latch=read=sample，都是表示数据采样，数据有效的时刻。相位，对应着数据采样是在第几个边沿（edge），是第一个边沿还是第二个边沿，0对应着第一个边沿，1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。（1）CKP是ClockPolaritySelect，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:ClockPolaritySelectbit1=Idlestateforclock(CK)isahighlevel0=Idlestateforclock(CK)isalowlevel所以不多解释。（2）CKE是ClockEdgeSelect，就是相位=CPHA：CKE:SPIClockEdgeSelectbit1=TransmitoccursontransitionfromactivetoIdleclockstate0=TransmitoccursontransitionfromIdletoactiveclockstate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：WhenCKP=0:CKE=1=DatatransmittedonrisingedgeofSCKCKE=0=DatatransmittedonfallingedgeofSCKWhenCKP=1:CKE=1=DatatransmittedonfallingedgeofSCKCKE=0=DatatransmittedonrisingedgeofSCK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：去看时序图，如果起始的始终SCLK的电平是0，那么CPOL=0，如果是1，那么CPOL=1，然后看数据采样时刻，即时序图数据线上的数据那个矩形区域的中间所对应的位置，对应到上面SCLK时钟的位置，对应着是第一个边沿或是第二个边沿，即CPHA是0或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：（1）如何判断CPOL：SCLK的空闲时候的电压，是0还是1，决定了CPOL是0还是1；（2）如何判断CPHA：而数据采样时刻对应着的SCLK的电平，是第一个边沿还是第二个边沿，对应着CPHA为0还是1。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上升沿（开始的电平是低电压0，而第一个边沿，只能是从0变到1，即上升沿）下降沿第二个边沿CPHA=1下降沿上升沿（开始电平是高电平1，第二个边沿，肯定是从低电平0变到高电平1，因为第一个边沿肯定是从高电平1，变到低电平0）【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：（1）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：关于SPI从设备，在空闲的时候，是高电平还是低电平，即决定了CPOL是0还是1；然后再找到关于设备是在上升沿还是下降沿去采样数据，这样就是，在定了CPOL的值的前提下，对应着可以推算出CPHA是0还是1了。举例1：CC2500-Low-CostLow-Power2.4GHzRFTransceiver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）。举例2：SSD1289-240RGBx320TFTLCDControllerDriver的datasheet中提到：“SDIisshiftedinto8-bitshiftregisteroneveryrisingedgeofSCKintheorderofdatabit7,databit6……databit0.”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。按理来说，接下来应该再去确定SCLK空闲时候是高电平还是低电平，用以确定CPOL是0还是1，但是datasheet中没有提到这点。所以，此处，目前不太确定，是两种模式都支持，还是需要额外找证据却确定CPOL是0还是1.（2）可配置的，由软件自己设定从设备也是一个SPI控制器，4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。对于如何配置SPI的CPOL和CPHA的话，不多细说，多数都是直接去写对应的SPI控制器中对应寄存器中的CPOL和CPHA那两位，写0或写1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BlackfinF537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://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus3.SPIBackground