1.什么是SPI
SPI通常有一个主设备和一个或多个从设备，通常采用的是4根线，它们是MISO（数据输入，针对主机来说）、MOSI（数据输出，针对主机来说）、SCLK（时钟，主机产生）、CS/SS（片选，一般由主机发送或者直接使能，通常为低电平有效）。全双工。
2.SPI物理层
图1 SPI物理层连接图
一个主机可以连接多个从机，其中SCK，MOSI，MISO所有从机共用。SSx单独连接主机。当主机需要和从机通信时，主机把对应的从机的SSx线拉低。从机发现自己的SSx线被拉低，则表示主机要和它通信了。对比IIC，SPI不需要外接上拉电阻，也不需要广播地址来寻机。
3.SPI协议层
图2 SPI 协议层信号
SPI只有开始信号，停止信号，和数据有效性信号，读写信号（同步的）。相比IIC，少了应答机制。
（1）开始信号：NSS被拉低的下降沿（SSx、CS。都叫做使能线，片选线。叫法很多，作用一样 都是让从机使能通信）
（2）停止信号：NSS被拉高的上升沿。
（3）触发，转移，一样的意思。表示主机读一位从机的数据，从机读一位主机的数据。
（4）采样，采集，读取，一样的意思，表示总线的上数据已就绪，可以读了。采样后，MISO、MOSI线上的数据被锁存直到被转移。
4.SPI的4种模式
4.1.极性和相位组合成4种模式
要说SPI的4种模式，就要先说一下两个概念：时钟极性CPOL和时钟相位CPHA。CPOL和CPHA均有0 1两种状态，组合成4种状态。
时钟极性：时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。
CPOL=0 时， SCK 在空闲状态时为低电平①，在SCK有效期间为高电平 ②
CPOL=1 时，SCK 在空闲状态时为高电平③，在SCK有效期间为低电平 ④
图3 时钟极性规定的空闲状态的电平
时钟相位：时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻，
当 CPHA=0 时， MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿” 被采样。
当 CPHA=1 时，数据线在 SCK 的“偶数边沿” 采样。
图4 时钟相位CPHA = 0时
当 CPHA=0 时， MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿” 被采样。根据时钟极性的不同，奇数边沿可能是上升沿也可能是下降沿。
可以看到，采集数据是边沿触发的，且没有明确要求是上升沿还是下降沿。CPHA=0时，采集数据是在奇数边沿，则转换数据是在偶数边沿。
图5 时钟相位 CPHA = 1时
当 CPHA=1时， MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“偶数边沿” 被采样。根据时钟极性的不同，奇数边沿可能是上升沿也可能是下降沿。
可以看到 CPHA=1时，采集数据是在偶数边沿，则转换数据是在奇数边沿。
关于几个关键词的描述：
（1）采集、采样：当采样时，主机要发给从机的数据已经在MOSI上了，从机要发送给主机的数据已经在MISO上了。可以去读取了。（什么时候准备数据的，下面说）
（2）转换：因为SPI是全双工的，可以同时收发数据。主机在发送出一位数据，就会接收到一位数据。在同一个时钟周期同步转换。
为什么叫转换?从下面图6中看到，两个设备都有一个shift寄存器。比如当CPHA=0时，在第一个边沿采集到了数据，在第二个边沿转换，
主机的shift寄存器的最高位移到了从机的shift寄存器的最低位。两个寄存器都左移，循环8次。就能完成8位数据的交换，主机shift寄存器的数据都移到从记得shift寄存器里面了。从机的也都移到主机里了。（很巧妙 用互相转移完成读写同步）
图6 shift register
4.2.为什么需要4种模式 以及什么时候采集数据，什么时候发送数据
模式0：CPOL=0，CPHA =0 SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据) 模式1：CPOL=0，CPHA =1 SCK空闲为低电平，数据在SCK的下降沿被采样(提取数据) 模式2：CPOL=1，CPHA =0 SCK空闲为高电平，数据在SCK的下降沿被采样(提取数据) 模式3：CPOL=1，CPHA =1 SCK空闲为高电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)
简单；来说就是有些外设在被选中后（CS被拉低）就会把数据放到总线上，让主机区读。这个时候用CPHA=0模式。而有些在设备发送数据前需要一个SCK时钟来激活外设，外设在接收到第一个始终后才会把数据放到总线上。这个时候用CPHA=1模式。
CPHA=0时：主机从机给总线上准备数据，读写，转移的过程（从摩托罗拉SPI协议4.4.2 翻译过来的，大概翻译，不完全）
（1）时钟的第一个边沿发生时，MOSI、MISO上的数据将被采集并被锁存，在第一个时钟边沿发生之前，必须有个CS被拉低的信号（设备必须使能），从CS被拉低。到第一个时钟边沿发生，需要有个延时。为什么需要延时？因为在CS被拉低到出现第一个边沿这个过程中，被使能的从机设备将会把自己的数据放在MISO上让主机去读。主机把自己的数据放在MOSI上让从机去读。
（2）当时钟的第二个边沿发生时，MISO、MOSI上被采集并锁存的数据将会转移。（交换一位，参考图6）
（3）第二个时钟沿发生后，从机的下一位数据将会被发送到MISO上，主机上，我们需要主动把数据放在MOSI上。这个也就是说的在奇数边沿采集，在偶数边沿转移。我们可以看到发送8位数据，需要8个时钟周期，16个时钟边沿。
（4）在第16个时钟边沿发生后，主机的shift寄存器和从机的shift寄存器的数据就完全交换了。
CPHA=1时：主机从机给总线上准备数据，读写，转移的过程（从摩托罗拉SPI协议4.4.3 翻译过来的，大概翻译，不完全）
（1）在奇数数边沿转移，在偶数边沿采集。按照权威的文档中说，有些设备需要得到一个时钟后才会把数据放到MISO线上。不像上面介绍的设备一旦CS选中就发数据。
（2）这种设备在第一个边沿先转移一下，用来激活设备，设备才会把数据放到MISO线上。在第二个边沿采集，又回到第一个边沿转移，设备准备数据到MISO上，第二个边沿采集，循环。
这里还有点疑惑。先记录一下吧。是不是只第一次读取从设备的数据时需要一个时钟激活，激活后，一旦发生转移，从设备的下一位数据就自动就绪了。可能是第一个时钟转移（激活），转移后自动准备下一位数据。我觉得可能是第二种，只要一个时钟激活就可以了。第一个时钟激活，第一个时钟转移，那转移一次数据，从设备就会被激活。
4.3 什么时候用哪种模式？
时钟相位CPHA = 0。这种模式适合那种从设备一旦被片选后就输出数据到MISO线上。
时钟相位CPHA = 0。这种模式适合那种从设备被片选后还需要一个时钟才能 输出数据到MISO线上。
4.4软件模拟
转自内陆的咸水鱼
1 /* CPOL = 0, CPHA = 0, MSB first */ 2 uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE0( uint8_t write_dat ) 3 { 4 uint8_t i, read_dat; 5 for( i = 0; i < 8; i++ ) 6 { 7 if( write_dat & 0x80 ) 8 MOSI_H; 9 else 10 MOSI_L; 11 write_dat <<= 1; 12 delay_us(1); 13 SCK_H; 14 read_dat <<= 1; 15 if( MISO ) 16 read_dat++; 17 delay_us(1); 18 SCK_L; 19 __nop(); 20 } 21 22 return read_dat; 23 } 24 25 26 /* CPOL=0，CPHA=1, MSB first */ 27 uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE1(uint8_t byte) 28 { 29 uint8_t i,Temp=0; 30 31 for(i=0;i<8;i++) // 循环8次 32 { 33 SCK_H; //拉高时钟 34 if(byte&0x80) 35 { 36 MOSI_H; //若最到位为高，则输出高 37 } 38 else 39 { 40 MOSI_L; //若最到位为低，则输出低 41 } 42 byte <<= 1; // 低一位移位到最高位 43 delay_us(1); 44 SCK_L; //拉低时钟 45 Temp <<= 1; //数据左移 46 47 if(MISO) 48 Temp++; //若从从机接收到高电平，数据自加一 49 delay_us(1); 50 51 } 52 return (Temp); //返回数据 53 } 54 55 /* CPOL=1，CPHA=0, MSB first */ 56 uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE2(uint8_t byte) 57 { 58 uint8_t i,Temp=0; 59 60 for(i=0;i<8;i++) // 循环8次 61 { 62 if(byte&0x80) 63 { 64 MOSI_H; //若最到位为高，则输出高 65 } 66 else 67 { 68 MOSI_L; //若最到位为低，则输出低 69 } 70 byte <<= 1; // 低一位移位到最高位 71 delay_us(1); 72 SCK_L; //拉低时钟 73 Temp <<= 1; //数据左移 74 75 if(MISO) 76 Temp++; //若从从机接收到高电平，数据自加一 77 delay_us(1); 78 SCK_H; //拉高时钟 79 80 } 81 return (Temp); //返回数据 82 } 83 84 85 /* CPOL = 1, CPHA = 1, MSB first */ 86 uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE3( uint8_t write_dat ) 87 { 88 uint8_t i, read_dat; 89 for( i = 0; i < 8; i++ ) 90 { 91 SCK_L; 92 if( write_dat & 0x80 ) 93 MOSI_H; 94 else 95 MOSI_L; 96 write_dat <<= 1; 97 delay_us(1); 98 SCK_H; 99 read_dat <<= 1; 100 if( MISO ) 101 read_dat++; 102 delay_us(1); 103 __nop(); 104 } 105 return read_dat; 106 } 107
参考资料
文中图片来自野火资料
软件模拟SPI接口程序代码（4种模式） https://blog.csdn.net/zwj695535100/article/details/107303648/
摩托罗拉SPI总线协议规范 https://wenku.baidu.com/view/eb052d1289eb172dec63b700.html（4.4章节）