SPI、DSPI、QSPI技术对比|江阴雨辰互联

SPI、DSPI、QSPI技术对比

在嵌入式系统中，串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）及其扩展（如 DSPI 和 QSPI）被广泛应用于与外部设备（如传感器、存储器、LCD 控制器等）高速通信。

主要区别对比如下：

1、SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种全双工同步串行通信协议，通常由主设备（Master）和从设备（Slave）构成。SPI 总线主要有以下四根信号线：

SCLK（Serial Clock）：由主设备产生时钟信号；
MOSI（Master Out Slave In）：主设备向从设备发送数据；
MISO（Master In Slave Out）：从设备向主设备发送数据；
CS/NSS（Chip Select/Slave Select）：由主设备选择通信目标从设备。

SPI 的优点在于结构简单、传输速率快和实现灵活，缺点是单条数据线在高速通信中的带宽有限，且当从设备增多时，硬件连接和线路管理较为复杂。

下面的 C 语言伪代码展示了基于常见 MCU 的 SPI 初始化配置与数据收发流程：

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// SPI初始化函数
void SPI_Init(void) {
    // 配置引脚模式：SCLK, MOSI, MISO, CS
    ConfigGPIO(SCLK_PIN, GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(MOSI_PIN, GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(MISO_PIN, GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(CS_PIN,   GPIO_MODE_OUTPUT_PP);
    // 配置 SPI 外设参数：主模式、数据位、极性、相位、波特率等
    SPI_HandleTypeDef hspi;
    hspi.Instance = SPI1;
    hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
    hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
    hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16;
    hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    SPI_Init(&hspi);
    SPI_Enable(&hspi);
}

// SPI数据发送与接收
uint8_t SPI_TransmitReceive(uint8_t txData) {
    uint8_t rxData = 0;
    SPI_Transmit(&hspi, &txData, 1);
    SPI_Receive(&hspi, &rxData, 1);
    return rxData;
}

2、DSPI

DSPI（在某些平台上也称为 Dual Serial Peripheral Interface）是在传统 SPI 的基础上加入了更多硬件特性而演进出来的接口。

以 Freescale/NXP 的 DSPI 模块为例，其主要特点包括：

增强的数据缓存能力：内部多级 FIFO 缓冲设计，降低因软件响应延迟造成的数据丢失风险；
更灵活的帧格式配置：支持更多位宽配置、连续数据传输模式以及多主模式支持；
高速传输能力：针对高带宽需求优化了时钟管理和错误检测机制。

这使得 DSPI 在很多现代 MCU 中已经取代了传统 SPI 成为主流接口之一。

从用户接口角度看，DSPI 与标准 SPI 保持了相似的信号结构（SCLK、MOSI、MISO、CS），但在硬件内部及数据传输效率上做了以下扩展：

FIFO 缓冲支持：减少了中断服务程序对高速数据传输的负担；
更灵活的总线配置：部分 DSPI 模块可支持双通道并行传输，进一步提高吞吐量；
错误检测及恢复机制：提供了可靠性更高的通信保障。

这些改进使得 DSPI 在多任务、高速、大数据量传输的场景中表现得更加优越。

以下伪代码展示 DSPI 初始化过程，与 SPI 类似，但增加了 FIFO 等增强功能的配置：

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// DSPI初始化函数（基于具体MCU库，示例仅供参考）
void DSPI_Init(void) {
    // 配置IO引脚（与SPI类似）
    ConfigGPIO(SCLK_PIN, GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(MOSI_PIN, GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(MISO_PIN, GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(CS_PIN,   GPIO_MODE_OUTPUT_PP);
    // 配置 DSPI 控制器参数
    DSPI_HandleTypeDef hdspi;
    hdspi.Instance = DSPI1;
    hdspi.Init.Master = ENABLE;
    hdspi.Init.Direction = DSPI_DIRECTION_2LINES;
    hdspi.Init.DataSize = DSPI_DATASIZE_8BIT;
    hdspi.Init.CLKPolarity = DSPI_POLARITY_LOW;
    hdspi.Init.CLKPhase = DSPI_PHASE_1EDGE;
    hdspi.Init.NSS = DSPI_NSS_SOFT;
    hdspi.Init.BaudRatePrescaler = DSPI_BAUDRATEPRESCALER_8;
    // 配置内置FIFO缓存深度
    hdspi.Init.FIFOThreshold = DSPI_FIFO_THRESHOLD_4; 
    DSPI_Init(&hdspi);
    DSPI_Enable(&hdspi);
}

3、QSPI

QSPI（Quad SPI）设计初衷是为了满足高速数据传输的需求，尤其适用于外部 Flash 存储器。与传统 SPI 相比，QSPI 除了有标准的 SCLK 与 CS 外，还增加了四个双向数据引脚（IO0、IO1、IO2、IO3），支持多种数据传输模式（单/双/四线模式），具体特点如下：

数据线扩充：QSPI 通过并行传输数据，理论上传输速率提高 4 倍；
内存映射模式：支持直接将外部 FLASH 映射到 MCU 内存空间，实现零拷贝读取；
灵活的传输协议：常见命令序列包括地址阶段、伪命令以及数据传输阶段，适合大容量存储器应用。

QSPI 典型的传输操作可分为以下阶段：

命令发送阶段：由主机发送读写命令至外部设备；
地址传输阶段：发送内存地址（通常为 24 位或 32 位）；
数据传输阶段：多根数据线同时传输数据，相比 SPI 大幅降低传输时延；
状态查询/结束：根据设备响应判断是否继续后续操作。

这种协议支持存储器映射模式，可直接将外部设备当作内存使用，非常适用于代码执行（XIP，eXecute In Place）以及数据高速缓存场景。

以下代码展示了 QSPI 模块初始化及基本数据读取操作的伪代码示例（具体 API 可能因厂商 SDK 不同而差异较大）：

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// QSPI初始化函数
void QSPI_Init(void) {
    // 配置 QSPI 引脚：SCLK、CS、IO0-IO3
    ConfigGPIO(QSPI_SCLK_PIN, GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(QSPI_CS_PIN,   GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(QSPI_IO0_PIN,  GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(QSPI_IO1_PIN,  GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(QSPI_IO2_PIN,  GPIO_MODE_AF_PP);
    ConfigGPIO(QSPI_IO3_PIN,  GPIO_MODE_AF_PP);
    // 配置 QSPI 控制器参数
    QSPI_HandleTypeDef hqspi;
    hqspi.Instance = QSPI1;
    hqspi.Init.ClockPrescaler = 2;
    hqspi.Init.FlashSize = 23; // 假设容量为8 Mbit（2^23）
    hqspi.Init.SampleShifting = QSPI_SAMPLE_SHIFTING_HALFCYCLE;
    hqspi.Init.FlashID = QSPI_FLASH_ID_1;
    hqspi.Init.DualFlash = QSPI_DUALFLASH_DISABLE;
    QSPI_Init(&hqspi);
    QSPI_Enable(&hqspi);
}
// QSPI数据读取示例（简化流程）
void QSPI_Read(uint32_t address, uint8_t* buffer, uint32_t size) {
    QSPI_CommandTypeDef cmd;
    cmd.Instruction = 0x03;      // 普通读命令
    cmd.Address = address;
    cmd.AddressSize = QSPI_ADDRESS_24_BITS;
    cmd.DummyCycles = 8;
    cmd.DataMode = QSPI_DATA_4_LINES;  // 使用四线模式读取数据
    QSPI_Receive(&hqspi, &cmd, buffer, size);
}

4、选择建议

低速/简单应用： 当应用对传输速率要求不高时，使用 SPI 能够满足大多数外设的通信需求，且接口简单、兼容性良好。

高速/高数据量应用： 当系统对数据吞吐量及实时性要求较高时，采用 DSPI 能充分利用其 FIFO 缓冲和高速传输优势。

大容量存储及XIP： 对于存储器映射和高数据带宽需求的应用，如外部 NOR Flash 存储器读取、执行外部代码等场景，QSPI 是最佳选择。

在实际项目中，系统资源、外设接口需求以及性能瓶颈都会影响最终选择。建议在设计初期进行充分的评估和测试，确保选择最适合方案。

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自微信公众号。原始发表：2025-04-09，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent 删除initspi接口配置数据

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