【STM32】SPI通讯协议入门解析

每个从设备都有独立的这一条SS信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。12C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯：而SPI协议中没有设备地址,它使用SS信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的SS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以SS线置低电平为开始信号，以SS线被拉高作为结束信号。

2. SPI协议层

基本时序图，这里之列举出了一种，对于①和⑥好理解就是开始和结束，但是对于②③④⑤的触发和采样起始SPI没有硬性的要求必须是上升沿触发还是下降沿触发，或者是上升沿采样还是下降沿采样，这个需要我们自己进行规定，其中需要引出两个概念：

时钟极性（CPOL）：是指SPI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线为高电平的SCK的状态）。CPOL=0时，SCK在空闲状态为低电平；COPL=1时，SCK在空闲状态为高电平。

时钟相位（CPHA）：是指数据的采样的时刻，当CPHA=0时，MOSI或者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，数据线将会在SCK的“偶数边沿”采样。

由于CPOL有0和1两种状态，CPHA有0和1两种状态，那么我们组合一下就是SPI的四种工作模式：

SPI模式	CPOL	CPHA	空闲时SCK时钟	采样时刻
模式0	0	0	低电平	奇数边沿
模式1	0	1	低电平	偶数边沿
模式2	1	0	高电平	奇数边沿
模式3	1	1	高电平	偶数边沿

2.1 起始条件

对应的序号①，SS从高电平切换到低电平：

2.2 终止条件

对应序号⑥，SS从低电平切换到高电平：

2.3 模式0

CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平

CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

2.4 模式1

CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平

CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

2.5 模式2

CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

2.6 模式3

CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

3. SPI外设

STM32的SPI外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的SCK时钟频率为fpaa/2 (STM32F10x型号的芯片默认fpclkt为72MHz，fpclk2为36MHz)，完全支持SPI协议的4种模式，数据帧长度可设置为8位或16位，可设置数据MSB先行或LSB先行。它还支持双线全双工、双线单向以及单线模式。

3.1 通讯引脚

STM32芯片有多个SPI外设，它们的SPI通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚：

对于具体芯片引脚所在位置根据所使用的芯片手册进行查看（这里以ZET6为例）：

引脚	SPI编号			功能
引脚	SPI1	SPI2	SPI3	功能
NSS	PA4	PB12	PA15下载口的TDI	从设备选择。这是一个可选的引脚，用来选择主/从设备。它的功能是用来作为“片选引脚”，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。从设备的NSS引脚可以由主设备的一个标准I/O引脚来驱动。一旦被使能(SSOE位)，NSS引脚也可以作为输出引脚，并在SPI处于主模式时拉低；此时，所有的SPI设备，如果它们的NSS引脚连接到主设备的NSS引脚，则会检测到低电平，如果它们被设置为NSS硬件模式，就会自动进入从设备状态。当配置为主设备、NSS配置为输入引脚(MSTR=1，SSOE=0)时，如果NSS被拉低，则这个SPI设备进入主模式失败状态：即MSTR位被自动清除，此设备进入从模式
CLK	PA5	PB13	PB3下载口的TDO	串口时钟，作为主设备的输出，从设备的输入
MISO	PA6	PB14	PB4下载口的NTRST	主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
MOSI	PA7	PB15	PB5	主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。

其中SPI1是APB2上的设备，最高通信速率达36Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的设备，最高通信速率为18Mbits/s。除了通讯速率，在其它功能上没有差异：

3.2 时钟控制逻辑

SCK线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，该位是对fpclk时钟的分频因子，对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率（图在数据手册23.5.1）：

举个例子，对于SPI1来说，其挂载在APB2总线上，其时钟频率为72MHz，假如我们将DR位写为000，那么SCK时钟信号就会72MHz/2=36MHz，我们可以通过BR位来动态调整时钟频率。

3.3 数据控制逻辑

SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源来源于接收缓冲区及发送缓冲区：

通过写SPI的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中。
通过读“数据寄存器DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。

3.4 整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等，具体可以通过数据手册进行查看：

3.5 通讯过程

简单来说想要发送数据，首先将数据放到发送缓冲区，然后发送；想要接收数据，将数据放到接收缓冲区，然后接收：

4. SPI相关库函数

这里只是介绍一些常用的，更多函数可以产看固件库手册：

链接: https://pan.baidu.com/s/16L6NxIPSKreqdnLR5kH0Ow?pwd=txjy

提取码: txjy

4.1 初始化结构体

typedef struct
{
  uint16_t SPI_Direction;           /*!< 指定SPI单向或双向数据模式。
                                         该参数可以是 @ref SPI_data_direction 的值 */

  uint16_t SPI_Mode;                /*!< 指定SPI工作模式。
                                         该参数可以是 @ref SPI_mode 的值 */

  uint16_t SPI_DataSize;            /*!< 指定SPI数据大小。
                                         该参数可以是 @ref SPI_data_size 的值 */

  uint16_t SPI_CPOL;                /*!< 指定串行时钟稳态。
                                         该参数可以是 @ref SPI_Clock_Polarity 的值 */

  uint16_t SPI_CPHA;                /*!< 指定位捕获的时钟有效边沿。
                                         该参数可以是 @ref SPI_Clock_Phase 的值 */

  uint16_t SPI_NSS;                 /*!< 指定NSS信号是由硬件（NSS引脚）管理
                                         还是通过使用SSI位的软件管理。
                                         该参数可以是 @ref SPI_Slave_Select_management 的值 */
 
  uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;   /*!< 指定用于配置发送和接收SCK时钟的
                                         波特率预分频值。
                                         该参数可以是 @ref SPI_BaudRate_Prescaler 的值。
                                         @注意 通信时钟源自主时钟。从设备时钟不需要设置。*/

  uint16_t SPI_FirstBit;            /*!< 指定数据传输从最高有效位（MSB）还是最低有效位（LSB）开始。
                                         该参数可以是 @ref SPI_MSB_LSB_transmission 的值 */

  uint16_t SPI_CRCPolynomial;       /*!< 指定用于CRC计算的多项式。*/
}SPI_InitTypeDef;

4.1.1 SPI_Direction

指定SPI的数据传输方式：

/** @defgroup SPI_data_direction 
  * @{
  */
  
#define SPI_Direction_2Lines_FullDuplex ((uint16_t)0x0000)  /*!< 双线全双工模式 */
#define SPI_Direction_2Lines_RxOnly     ((uint16_t)0x0400)  /*!< 双线只接收模式 */
#define SPI_Direction_1Line_Rx          ((uint16_t)0x8000)  /*!< 单线只接收模式 */
#define SPI_Direction_1Line_Tx          ((uint16_t)0xC000)  /*!< 单线只发送模式 */

#define IS_SPI_DIRECTION_MODE(MODE) (((MODE) == SPI_Direction_2Lines_FullDuplex) || \
                                     ((MODE) == SPI_Direction_2Lines_RxOnly) || \
                                     ((MODE) == SPI_Direction_1Line_Rx) || \
                                     ((MODE) == SPI_Direction_1Line_Tx))  /*!< 检查SPI方向模式是否有效 */

4.1.2 SPI_Mode

指定SPI的工作模式：

/** @defgroup SPI_mode 
  * @{
  */

#define SPI_Mode_Master                 ((uint16_t)0x0104)  /*!< 主模式 */
#define SPI_Mode_Slave                  ((uint16_t)0x0000)  /*!< 从模式 */
#define IS_SPI_MODE(MODE) (((MODE) == SPI_Mode_Master) || \
                           ((MODE) == SPI_Mode_Slave))      /*!< 检查SPI主从模式是否有效 */

本成员设置SPI工作在主机模式(SPI_Mode_Master)或从机模式(SPI_Mode_Slave )，这两个模式的最大区别为SPI的SCK信号线的时序，SCK的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式，STM32的SPI外设将接受外来的SCK信号。

4.1.3 SPI_DataSize

指定SPI数据大小：

/** @defgroup SPI_data_size 
  * @{
  */

#define SPI_DataSize_16b                ((uint16_t)0x0800)  /*!< 16位数据帧 */
#define SPI_DataSize_8b                 ((uint16_t)0x0000)  /*!< 8位数据帧 */
#define IS_SPI_DATASIZE(DATASIZE) (((DATASIZE) == SPI_DataSize_16b) || \
                                   ((DATASIZE) == SPI_DataSize_8b))  /*!< 检查SPI数据大小是否有效 */

4.1.4 SPI_CPOL

指定串行时钟稳态：

/** @defgroup SPI_Clock_Polarity 
  * @{
  */

#define SPI_CPOL_Low                    ((uint16_t)0x0000)  /*!< 时钟空闲状态为低电平 */
#define SPI_CPOL_High                   ((uint16_t)0x0002)  /*!< 时钟空闲状态为高电平 */
#define IS_SPI_CPOL(CPOL) (((CPOL) == SPI_CPOL_Low) || \
                           ((CPOL) == SPI_CPOL_High))       /*!< 检查SPI时钟极性是否有效 */

4.1.5 SPI_CPHA

指定位捕获的时钟有效边沿：

/** @defgroup SPI_Clock_Phase 
  * @{
  */

#define SPI_CPHA_1Edge                  ((uint16_t)0x0000)  /*!< 在第一个时钟边沿进行数据采样 */
#define SPI_CPHA_2Edge                  ((uint16_t)0x0001)  /*!< 在第二个时钟边沿进行数据采样 */
#define IS_SPI_CPHA(CPHA) (((CPHA) == SPI_CPHA_1Edge) || \
                           ((CPHA) == SPI_CPHA_2Edge))      /*!< 检查SPI时钟相位是否有效 */

4.1.6 SPI_NSS

指定NSS信号是由硬件（NSS引脚）管理，还是通过使用SSI位的软件管理：

/** @defgroup SPI_Slave_Select_management 
  * @{
  */

#define SPI_NSS_Soft                    ((uint16_t)0x0200)  /*!< 软件NSS管理 */
#define SPI_NSS_Hard                    ((uint16_t)0x0000)  /*!< 硬件NSS管理 */
#define IS_SPI_NSS(NSS) (((NSS) == SPI_NSS_Soft) || \
                         ((NSS) == SPI_NSS_Hard))          /*!< 检查SPI从设备选择管理方式是否有效 */

4.1.7 SPI_BaudRatePrescaler

指定用于配置发送和接收SCK时钟的波特率预分频值。通信时钟源自主时钟。从设备时钟不需要设置：

/** @defgroup SPI_BaudRate_Prescaler 
  * @{
  */

#define SPI_BaudRatePrescaler_2         ((uint16_t)0x0000)  /*!< 波特率预分频值：2分频 */
#define SPI_BaudRatePrescaler_4         ((uint16_t)0x0008)  /*!< 波特率预分频值：4分频 */
#define SPI_BaudRatePrescaler_8         ((uint16_t)0x0010)  /*!< 波特率预分频值：8分频 */
#define SPI_BaudRatePrescaler_16        ((uint16_t)0x0018)  /*!< 波特率预分频值：16分频 */
#define SPI_BaudRatePrescaler_32        ((uint16_t)0x0020)  /*!< 波特率预分频值：32分频 */
#define SPI_BaudRatePrescaler_64        ((uint16_t)0x0028)  /*!< 波特率预分频值：64分频 */
#define SPI_BaudRatePrescaler_128       ((uint16_t)0x0030)  /*!< 波特率预分频值：128分频 */
#define SPI_BaudRatePrescaler_256       ((uint16_t)0x0038)  /*!< 波特率预分频值：256分频 */

#define IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(PRESCALER) (((PRESCALER) == SPI_BaudRatePrescaler_2) || \
                                              ((PRESCALER) == SPI_BaudRatePrescaler_4) || \
                                              ((PRESCALER) == SPI_BaudRatePrescaler_8) || \
                                              ((PRESCALER) == SPI_BaudRatePrescaler_16) || \
                                              ((PRESCALER) == SPI_BaudRatePrescaler_32) || \
                                              ((PRESCALer) == SPI_BaudRatePrescaler_64) || \
                                              ((PRESCALER) == SPI_BaudRatePrescaler_128) || \
                                              ((PRESCALER) == SPI_BaudRatePrescaler_256))  /*!< 检查SPI波特率预分频值是否有效 */

4.1.8 SPI_FirstBit

指定数据传输从最高有效位（MSB）还是最低有效位（LSB）开始：

/** @defgroup SPI_MSB_LSB_transmission 
  * @{
  */

#define SPI_FirstBit_MSB                ((uint16_t)0x0000)  /*!< 数据传输从最高有效位（MSB）开始 */
#define SPI_FirstBit_LSB                ((uint16_t)0x0080)  /*!< 数据传输从最低有效位（LSB）开始 */
#define IS_SPI_FIRST_BIT(BIT) (((BIT) == SPI_FirstBit_MSB) || \
                               ((BIT) == SPI_FirstBit_LSB))  /*!< 检查SPI数据传输位顺序是否有效 */

4.1.9 SPI_CRCPolynomial

指定用于CRC计算的多项式，如果不使用CRC功能，数值写0即可。如果使用举个例子：

// 设置CRC多项式（例如使用CRC-8标准多项式）
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 0x07;

//常用多项式：0x07 (CRC-8)、0x1021 (CRC-16)、0x4C11DB7 (CRC-32)

对于CRC不熟悉的可以参考：

CRC（循环冗余校验）·CRC校验原理及步骤解析入门教程（C语言）_crc校验 c语言-优快云博客

4.2 控制和状态管理函数

void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);

功能：使能或禁用SPI外设

参数：NewState - ENABLE 或 DISABLE

4.3 中断和DMA控制函数

void SPI_I2S_ITConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT, FunctionalState NewState);

功能：使能或禁用指定的SPI/I2S中断

参数：SPI_I2S_IT - 要使能的中断源

void SPI_I2S_DMACmd(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_DMAReq, FunctionalState NewState);

功能：使能或禁用SPI/I2S的DMA请求

参数：SPI_I2S_DMAReq - 要使能的DMA请求

4.4 数据收发函

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);

功能：通过SPI/I2S外设发送数据

uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);

功能：从SPI/I2S外设接收数据

返回值：接收到的数据

4.5 标志位和中断处理函数

FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
//功能：检查指定的SPI/I2S标志位是否被设置

void SPI_I2S_ClearFlag(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
//功能：清除SPI/I2S的标志位

ITStatus SPI_I2S_GetITStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);
//功能：检查指定的SPI/I2S中断是否发生

void SPI_I2S_ClearITPendingBit(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);
//功能：清除SPI/I2S的中断挂起位