详解SPI中的极性CPOL和相位CPHA

Posted 2021-01-06 linhaostudy

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：
   1. Leading edge=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；
   2. Trailing edge=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；

本博文采用如下用法：

1. 极性=CPOL
2. 相位=CPHA
3. SCLK=时钟
4. 第一个边沿和第二个边沿

CPOL和CPHA，分别都可以是0或时1，对应的四种组合就是：

下面详细介绍。

CPOL极性

先说什么是SCLK时钟的空闲时刻，其就是当SCLK在发送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。其英文精简解释为：Clock Polarity = IDLE state of SCK。
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

从上图中可以看出，(CPOL=0)的SCK 波形，它有（传输）8 个脉冲，而在脉冲传输前和完成后都保持在【低电平状态】。此时的状态就是时钟的空闲状态或无效状态，因为此时没有脉冲，也就不会有数据传输。同理得出，（CPOL=）1 的图，时钟的空闲状态或无效状态时SCK 是保持【高电平的】。

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。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；

我们看上面的图，发现数据 SI 是对应 SCK 的第一个时钟沿，再仔细看，数据是在SCK的第一个时钟边沿保持稳定【数据被采样捕获】，在下一个边沿改变【SCK 的下降沿数据改变】因此我们得出结论：该系列FLASH 是【数据在第一个时钟沿被采样捕获】或【数据在SPCK 起始边沿捕获，在SPCK 下一个边沿改变】

如何判断CPOL和CPHA

如果起始的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）。

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。