[SPI] 单线双向半双工通信功能详解和实践

前言

• 在引脚资源紧张、但对传输带宽要求不高的嵌入式场景中，我们往往希望用更少的引脚完成 SPI 通信。
  先楫半导体旗下全系MCU内置的 SPI 控制器，除了标准的SPI全双工模式，还支持 单线双向半双工 工作模式——仅用 MOSI 这一根数据线，就能完成命令、地址、数据的发送与接收。

参考示例

本文基于 先楫 HPM SDK 中的以下官方示例编写，可直接参考运行：

两个示例需配合使用（一块板子跑 Master，另一块跑 Slave），通过 mosi_bidir = true 开启单线双向半双工通信。

实现原理

硬件层面

SPI 控制器内部通过一个 mosi_bidir 控制位将 MOSI 引脚配置为双向 I/O：

• 写阶段：MOSI 作为输出，驱动数据到总线上。
• 读阶段：MOSI 切换为输入，从总线上采样数据。
• pinmux上只需要初始化MOSI即可

传输模式

trans_mode 决定了一次 SPI 帧中读写阶段的顺序。SDK 支持的模式包括：

• spi_trans_write_only：纯写
• spi_trans_read_only：纯读
• spi_trans_write_read：先写后读
• spi_trans_read_write：先读后写
• spi_trans_write_dummy_read：先写 → Dummy 周期 → 后读
• spi_trans_read_dummy_write：先读 → Dummy 周期 → 后写

单线半双工模式下，以上模式均可使用。示例中改使用为 spi_trans_write_read / spi_trans_read_write，读写方向切换由硬件自动完成。

代码配置

关键参数：mosi_bidir

mosi_bidir 默认为 false（关闭），即标准 4 线全双工模式。要开启 MOSI 单线双向半双工，只需将其设为 true：

// 默认为 false，需显式开启
format_config.common_config.mosi_bidir = true;

Master 端（先写后读）

// 文件：samples/drivers/spi/dma/master/src/spi.c

spi_master_get_default_format_config(&format_config);
format_config.common_config.data_len_in_bits = 8;      // 8 位数据
format_config.common_config.mosi_bidir = true;          // ★ MOSI 双向
format_config.common_config.data_merge = false;
format_config.common_config.mode = spi_master_mode;
format_config.common_config.cpol = spi_sclk_high_idle;
format_config.common_config.cpha = spi_sclk_sampling_even_clk_edges;
spi_format_init(TEST_SPI, &format_config);

spi_master_get_default_control_config(&control_config);
control_config.common_config.trans_mode = spi_trans_write_read;
// 先写数据 → 读取从机数据（读写之间硬件自动插入方向切换周期）
control_config.common_config.data_phase_fmt = spi_single_io_mode;
control_config.common_config.tx_dma_enable = true;
control_config.common_config.rx_dma_enable = true;

Slave 端（先读后写）

// 文件：samples/drivers/spi/dma/slave/src/spi.c

spi_slave_get_default_format_config(&format_config);
format_config.common_config.data_len_in_bits = 8;
format_config.common_config.mosi_bidir = true;          // ★ MOSI 双向（同样设置）
format_config.common_config.data_merge = false;
format_config.common_config.mode = spi_slave_mode;
format_config.common_config.cpol = spi_sclk_high_idle;
format_config.common_config.cpha = spi_sclk_sampling_even_clk_edges;
spi_format_init(TEST_SPI, &format_config);

spi_slave_get_default_control_config(&control_config);
control_config.common_config.trans_mode = spi_trans_read_write;
// 先接收数据 → 发送数据（读写之间硬件自动插入方向切换周期）
control_config.common_config.data_phase_fmt = spi_single_io_mode;
control_config.common_config.tx_dma_enable = true;
control_config.common_config.rx_dma_enable = true;

注意：

• Master 和 Slave 使用相反的传输模式（一个 Write→Read，另一个 Read→Write），才能完成双向数据交换。

实验验证

测试环境

逻辑分析仪波形

串口输出结果

• 收发 128 字节 完全一致，错误计数为 0，验证了单线双向半双工通信的正确性。

适用场景 & 注意事项

适用场景

• 引脚数受限的传感器互联
• 需要减少连接器 pin 数的板间通信
• 半双工协议兼容
• 一对多星型拓扑（每个从设备仅用 3 根线：SCLK + MOSI + CS）

注意事项

总结

先楫 SPI 的 mosi_bidir 单线双向半双工功能，可以在不牺牲 SPI 协议灵活性的前提下，将引脚数从 4 根减少到 3 根（SCLK + MOSI + CS），对于引脚资源紧张的应用非常有价值。

配合 DMA 搬运，即使是单线模式也能获得不错的整体吞吐率。只需一行配置 mosi_bidir = true，就能让 MOSI 同时扮演"发球员"和"接球员"的角色，实现高效、可靠的双向通信。