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本章参考资料：《STM32F4xx 中文参考手册》、《STM32F4xx规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》及《SPI总线协议介绍》。
若对SPI通讯协议不了解，可先阅读《SPI总线协议介绍》文档的内容学习。
关于FLASH存储器，请参考"常用存储器介绍"章节，实验中FLASH芯片的具体参数，请参考其规格书《W25Q128》来了解。
24.1 SPI协议简介
SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的场合。
学习本章时，可与I2C章节对比阅读，体会两种通讯总线的差异以及EEPROM存储器与FLASH存储器的区别。下面我们分别对SPI协议的物理层及协议层进行讲解。
24.1.1 SPI物理层
SPI通讯设备之间的常用连接方式见图 241。
图 241 常见的SPI通讯系统
SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为，它们的作用介绍如下：
(1) ( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为NSS、CS，以下用NSS表示。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时，设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3条总线；而每个从设备都有独立的这一条NSS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。I2C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NSS信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS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NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。
(2) SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如STM32的SPI时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
(3) MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。
(4) MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。
24.1.2 协议层
与I2C的类似，SPI协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。
1. SPI基本通讯过程
先看看SPI通讯的通讯时序，见图 242。
图 242 SPI通讯时序
这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。
以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：
2. 通讯的起始和停止信号
在图 242中的标号处，NSS信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号。NSS是每个从机各自独占的信号线，当从机检在自己的NSS线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号处，NSS信号由低变高，是SPI通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。
3. 数据有效性
SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用图 242中的MSB先行模式。
观察图中的 标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出，在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻，MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据"1"，为低电平时表示数据"0"。在其它时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。
SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。
4. CPOL/CPHA及通讯模式
上面讲述的图 242中的时序只是SPI中的其中一种通讯模式，SPI一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时SCK的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入"时钟极性CPOL"和"时钟相位CPHA"的概念。
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，CPOL=1时，则相反。
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。见图 243及图 244。
图 243 CPHA=0时的SPI通讯模式
我们来分析这个CPHA=0的时序图。首先，根据SCK在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。
无论CPOL=0还是=1，因为我们配置的时钟相位CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在SCK的奇数边沿。注意当CPOL=0的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的奇数边沿保持不变，数据信号将在SCK奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和MISO的有效信号才发生切换。
类似地，当CPHA=1时，不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样，见图 244。
图 244 CPHA=1时的SPI通讯模式
由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，见表 241，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是"模式0"与"模式3"。
表 241 SPI的四种模式
| SPI模式 |
CPOL |
CPHA |
空闲时SCK时钟 |
采样时刻 |
| 0 |
0 |
0 |
低电平 |
奇数边沿 |
| 1 |
0 |
1 |
低电平 |
偶数边沿 |
| 2 |
1 |
0 |
高电平 |
奇数边沿 |
| 3 |
1 |
1 |
高电平 |
偶数边沿 |
24.2 STM32的SPI特性及架构
与I2C外设一样，STM32芯片也集成了专门用于SPI协议通讯的外设。
24.2.1 STM32的SPI外设简介
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fpclk/2 (STM32F429型号的芯片默认fpclk1为90MHz，fpclk2为45MHz)，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(前面小节说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用MOSI及MISO数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。
STM32的SPI外设还支持I2S功能，I2S功能是一种音频串行通讯协议，在我们以后讲解MP3播放器的章节中会进行介绍。
24.2.2 STM32的SPI架构剖析
图 245 SPI架构图
1. 通讯引脚
SPI的所有硬件架构都从图 245中左侧MOSI、MISO、SCK及NSS线展开的。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，见表 242。关于GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F4xx规格书》，以它为准。
表 242 STM32F4xx的SPI引脚(整理自《STM32F4xx规格书》)
| 引脚 |
SPI编号 |
|||||
| SPI1 |
SPI2 |
SPI3 |
SPI4 |
SPI5 |
SPI6 |
|
| MOSI |
PA7/PB5 |
PB15/PC3/PI3 |
PB5/PC12/PD6 |
PE6/PE14 |
PF9/PF11 |
PG14 |
| MISO |
PA6/PB4 |
PB14/PC2/PI2 |
PB4/PC11 |
PE5/PE13 |
PF8/PH7 |
PG12 |
| SCK |
PA5/PB3 |
PB10/PB13/PD3 |
PB3/PC10 |
PE2/PE12 |
PF7/PH6 |
PG13 |
| NSS |
PA4/PA15 |
PB9/PB12/PI0 |
PA4/PA15 |
PE4/PE11 |
PF6/PH5 |
PG8 |
其中SPI1、SPI4、SPI5、SPI6是APB2上的设备，最高通信速率达45Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的设备，最高通信速率为22.5Mbits/s。除了通讯速率，在其它功能上没有差异。
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，计算方法见表 243。
表 243 BR位对fpclk的分频
| BR[0:2] |
分频结果(SCK频率) |
BR[0:2] |
分频结果(SCK频率) |
|
| 000 |
fpclk/2 |
100 |
fpclk/32 |
|
| 001 |
fpclk/4 |
101 |
fpclk/64 |
|
| 010 |
fpclk/8 |
110 |
fpclk/128 |
|
| 011 |
fpclk/16 |
111 |
fpclk/256 |
其中的fpclk频率是指SPI所在的APB总线频率，APB1为fpclk1，APB2为fpckl2。
通过配置"控制寄存器CR"的"CPOL位"及"CPHA"位可以把SPI设置成前面分析的4种SPI模式。
3. 数据控制逻辑
SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的内容来源于接收缓冲区及发送缓冲区以及MISO、MOSI线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以"发送缓冲区"为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到"接收缓冲区"中。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"数据寄存器DR"，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过"控制寄存器CR1"的"DFF位"配置成8位及16位模式；配置"LSBFIRST位"可选择MSB先行还是LSB先行。
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我们配置的"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。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改"状态寄存器(SR)"，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解SPI的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。
实际应用中，我们一般不使用STM32 SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。
24.2.3 通讯过程
STM32使用SPI外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对"状态寄存器SR"的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
图 246中的是"主模式"流程，即STM32作为SPI通讯的主机端时的数据收发过程。
图 246 主发送器通讯过程
主模式收发流程及事件说明如下：
(1) 控制NSS信号线，产生起始信号(图中没有画出)；
(2) 把要发送的数据写入到"数据寄存器DR"中，该数据会被存储到发送缓冲区；
(3) 通讯开始，SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；
(4) 当发送完一帧数据的时候，"状态寄存器SR"中的"TXE标志位"会被置1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，"RXNE标志位"会被置1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；
(5) 等待到"TXE标志位"为1时，若还要继续发送数据，则再次往"数据寄存器DR"写入数据即可；等待到"RXNE标志位"为1时，通过读取"数据寄存器DR"可以获取接收缓冲区中的内容。
假如我们使能了TXE或RXNE中断，TXE或RXNE置1时会产生SPI中断信号，进入同一个中断服务函数，到SPI中断服务程序后，可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用DMA方式来收发"数据寄存器DR"中的数据。
24.3 SPI初始化结构体详解
跟其它外设一样，STM32标准库提供了SPI初始化结构体及初始化函数来配置SPI外设。初始化结构体及函数定义在库文件"stm32f4xx_spi.h"及"stm32f4xx_spi.c"中，编程时我们可以结合
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