STM32F407 HAL库 SPI DMA 使用详解及优缺点分析

一、STM32F407 SPI 控制器简介
STM32F407 包含 3个SPI控制器（SPI1/2/3），支持：

全双工/半双工通信

主/从模式切换

时钟频率高达 42 MHz（SPI1）

硬件 CRC 校验（可选）
通过DMA可实现高效数据流传输，适用于高速、大容量数据场景（如显示屏刷新、高速ADC采集）。

二、HAL库配置SPI+DMA的关键步骤

1. 初始化SPI外设
   c

SPI_HandleTypeDef hspi1;

hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;          // 主模式
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 全双工
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;     // 数据长度（8/16位）
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;   // 时钟极性
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;       // 时钟相位
hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;               // 软件控制片选
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8; // 42 MHz / 8 = 5.25 MHz
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;      // 高位先行
hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;      // TI模式禁用
hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; // CRC校验关闭

HAL_SPI_Init(&hspi1);

2. 配置DMA传输
   c

// 发送DMA配置（以SPI1_TX为例，使用DMA1 Stream3）
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx;

hdma_spi1_tx.Instance = DMA1_Stream3;
hdma_spi1_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_3;       // SPI1_TX对应通道3
hdma_spi1_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
hdma_spi1_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;   // 外设地址固定（SPI数据寄存器）
hdma_spi1_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;       // 内存地址递增
hdma_spi1_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; // 对齐方式（8位）
hdma_spi1_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
hdma_spi1_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;              // 单次传输模式
hdma_spi1_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;

HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_tx);
__HAL_LINKDMA(&hspi1, hdmatx, hdma_spi1_tx);      // 绑定DMA到SPI句柄

// 接收DMA配置（方向为PERIPH_TO_MEMORY，流和通道需参考手册）
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx;
hdma_spi1_rx.Instance = DMA1_Stream0;             // SPI1_RX对应DMA1 Stream0
hdma_spi1_rx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_3;        // 通道3
HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_rx);
__HAL_LINKDMA(&hspi1, hdmarx, hdma_spi1_rx);

3. 启动DMA传输
   全双工模式（同时收发）
   c

uint8_t tx_buffer[] = {0xAA, 0xBB, 0xCC};
uint8_t rx_buffer[3];

// 启动全双工传输（需同时启用TX和RX DMA）
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, tx_buffer, rx_buffer, sizeof(tx_buffer));
单工模式（仅发送或接收）
c
// 仅发送
HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, tx_buffer, sizeof(tx_buffer));

// 仅接收（需发送虚拟数据以产生时钟）
HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, rx_buffer, sizeof(rx_buffer));

4. 中断与回调函数
   c

// DMA传输完成回调
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    // 全双工传输完成处理
}

void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    // 发送完成处理
}

void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    // 接收完成处理
}

// 错误回调
void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    uint32_t error = HAL_SPI_GetError(hspi);
    // 处理错误（如DMA溢出、模式错误等）
}

三、优缺点分析

优点：
极致吞吐量
DMA支持连续传输，在高速SPI（如42 MHz）下可实现 >30 Mbps 的稳定速率，适合图像传输、高速数据采集。

解放CPU资源
CPU无需干预数据搬运，可处理其他任务（如协议解析、用户交互）或进入低功耗模式。

低延迟保障
DMA自动处理数据流，避免因中断服务程序（ISR）导致的时序抖动，适用于实时控制系统。

缺点：
硬件配置复杂

DMA流与通道必须严格匹配SPI外设（如SPI1_TX → DMA1 Stream3，SPI1_RX → DMA1 Stream0）。

需处理内存对齐（如16位数据需2字节对齐）和缓冲区溢出风险。

调试难度高

DMA传输错误（如外设未就绪）可能引发数据丢失，需逻辑分析仪抓取SPI时序。

全双工模式下，TX和RX DMA需严格同步，否则导致数据错位。

硬件限制

STM32F407的DMA流数量有限，多外设共用时需合理分配优先级。

SPI从模式下DMA支持较弱，需依赖中断辅助。

潜在的竞争条件

多任务环境下，若未正确管理缓冲区，可能导致数据覆盖（如DMA未完成时修改缓冲区）。

四、关键注意事项

DMA流与通道映射

SPI1_TX → DMA1 Stream3/Channel3

SPI1_RX → DMA1 Stream0/Channel3

SPI2/3的DMA映射需查阅手册，避免与其他外设（如UART、ADC）冲突。

内存对齐与缓冲区

使用 __ALIGNED(4) 确保缓冲区4字节对齐（防止DMA访问越界）。

循环DMA模式需配合双缓冲区策略（如Ping-Pong Buffer）实现无缝传输。

SPI片选（NSS）管理

软件片选（NSS_SOFT）时，需手动控制GPIO电平：

c

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); // 使能片选
HAL_SPI_Transmit_DMA(...);
// 在传输完成回调中关闭片选

错误恢复机制

在 HAL_SPI_ErrorCallback 中复位SPI和DMA：

c

HAL_SPI_DeInit(&hspi1);
HAL_SPI_Init(&hspi1);
HAL_DMA_DeInit(&hdma_spi1_tx);
HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_tx);

五、适用场景

高速数据流传输：如TFT显示屏刷新、SD卡读写、摄像头数据采集。

实时信号处理：如音频编解码（I2S）、高速ADC/DAC通信。

多外设并行操作：CPU同时处理多个任务（如网络通信+传感器读取）。

六、常见问题与解决方案

DMA传输未启动

检查DMA流是否被其他外设占用（如ADC、UART）。

确认SPI时钟使能（__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE()）。

数据错位（MSB/LSB颠倒）

检查 SPI_Init.FirstBit 配置（MSB或LSB先行）。

确保发送和接收端的数据格式一致。

SPI时钟无输出

验证SPI模式（主模式需配置GPIO为复用功能）。

检查时钟分频系数（BaudRatePrescaler）是否过小（如分频值=2时可能超出GPIO速度限制）。

全双工数据错乱

确保TX和RX DMA的缓冲区长度一致。

在传输前手动清除SPI DR寄存器：

c

__HAL_SPI_CLEAR_OVRFLAG(&hspi1); // 清除溢出标志

通过合理配置，SPI+DMA方案可显著提升系统性能，但其硬件依赖性强，建议在资源充足且对吞吐量要求苛刻的场景中使用。