SPI（Serial Peripheral interface）是由摩托罗拉公司定义的一种串行外围设备接口，是一种高速、全双工、同步的通信总线，只需要四根信号线即可，节约引脚，同时有利于PCB的布局。正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了SPI通信协议，如FLASH、AD转换器等。

SPI的通信原理比较简单，它以主从方式工作，通常有一个主设备（此处指FPGA）和一个或多个从设备（此处指SD卡）。SPI通信需要四根线，分别为SPI_CS、SPI_CLK、SPI_MOSI和SPI_MISO。其中SPI_CS、SPI_CLK和SPI_MOSI由主机输出给从机，而SPI_MISO由从机输出给主机。SPI_CS用于控制芯片是否被选中，也就是说只有片选信号有效时（对于SD卡来说是低电平有效），对芯片的操作才有效；SPI_CLK是由主机产生的同步时钟，用于同步数据；SPI_MOSI和SPI_MISO是主机发送和接收的数据脚。

一般而言，SPI通信有4种不同的模式，不同的从设备在出厂时被厂家配置为其中一种模式，模式是不允许用户修改的。主设备和从设备必须在同一模式下进行通信，否则数据会接收错误。SPI的通信模式是由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来决定的，四种通信模式如下：

模式0：CPOL = 0，CPHA = 0；

模式1：CPOL = 0，CPHA = 1；

模式2：CPOL = 1，CPHA = 0；

模式3：CPOL = 1，CPHA = 1。

CPOL控制着SPI_CLK的时钟极性，时钟极性变化如下图所示：

由上图可知，当CPOL = 1时，SPI_CLK在空闲时为高电平，发起通信后的第一个时钟沿为下降沿；CPOL = 0时，SPI时钟信号SPI_CLK空闲时为低电平，发起通信后的第一个时钟沿为上升沿。

CPHA用于控制数据与时钟的对齐模式，其不同模式下的时序图如下图所示：

由上图可知：

• 当CPHA = 1时，时钟的第一个变化沿（上升沿或者下降沿）数据开始改变，那么也就意味着时钟的第2个变化沿（与第一个变化沿相反）锁存数据。
• 当CPHA = 0时，数据在时钟的第一个变化沿之前就已经改变，并且保持稳定，也就意味着在时钟的第一个变化沿锁存数据。