【STM32CubeMX学习教程】——11.SPI

原创已于 2025-11-21 10:16:56 修改 · 765 阅读

25 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#stm32 #学习 #单片机

于 2025-11-20 17:32:33 首次发布

一、SPI简介

SPI，全称为 Serial Peripheral Interface（串行外设接口），是一种由Motorola公司开发的同步、全双工、主从式的串行通信协议。它因其简单性和高速性而被广泛应用于微控制器、传感器、存储器、SD卡、液晶屏等嵌入式设备之间的短距离通信。

二、通信特点

同步通信： 通信双方由一条时钟信号线同步。所有数据传输都与时钟脉冲同步，发送和接收方无需预先约定波特率，避免了异步通信（如UART）的时序误差问题。
全双工： 数据可以在同一时刻双向传输。主设备在向从设备发送数据的同时，也可以接收从设备发来的数据。
主从模式： 通信由一个主设备发起和控制。一个主设备可以连接多个从设备，通过片选信号来选择与哪一个从设备通信。
高速传输： 相比I2C和UART，SPI没有复杂的寻址和应答机制，因此可以实现非常高的数据传输速率，通常可达几十MHz甚至上百MHz。

三、信号线构成

一个SPI总线系统通常包含以下4条信号线：

信号线名称	全称	方向	描述
SCK	Serial Clock	主 → 从	串行时钟，由主设备产生，用于同步数据位。
MOSI	Master Out Slave In	主 → 从	主设备数据输出，从设备数据输入。
MISO	Master In Slave Out	主 ← 从	主设备数据输入，从设备数据输出。
CS/SS	Chip Select / Slave Select	主 → 从	片选（或从设备选择），由主设备控制，低电平有效。

注:

每个从设备都需要一条独立的CS线。主设备通过将某条CS线拉至低电平，来激活对应的从设备。
MISO和MOSI是从主设备的角度来命名的。

四、工作原理与数据交换流程

1. 主设备初始化通信：
- 主设备产生SCK时钟。
- 主设备将目标从设备的CS引脚拉低，激活该从设备。
1. 数据移位与传输：
- 在每一个SCK时钟周期内，发生一次完整的数据交换：
  - 主设备通过MOSI线移出1位数据给从设备。
  - 从设备通过MISO线移出1位数据给主设备。
- 经过8个或16个时钟周期后，主从设备就完成了一个字节（或一个字）的交换。
1. 通信结束：
- 主设备将CS引脚拉高，结束本次通信。

关键理解： SPI的通信本质是主从设备之间交换移位寄存器中的数据。 你发送一个字节，必然会同时收到一个字节。这个收到的字节可能是有意义的传感器数据，也可能是无意义的哑元数据。

1. 工作模式（时钟极性与相位）：
  SPI有4种工作模式，由CPOL 和CPHA 两个参数决定，用于定义时钟的极性和数据采样的边沿。

模式	CPOL (Clock Polarity)	CPHA (Clock Phase)	描述
0	0	0	时钟空闲为低电平，数据在第一个时钟边沿（上升沿）采样。
1	0	1	时钟空闲为低电平，数据在第二个时钟边沿（下降沿）采样。
2	1	0	时钟空闲为高电平，数据在第一个时钟边沿（下降沿）采样。
3	1	1	时钟空闲为高电平，数据在第二个时钟边沿（上升沿）采样。

配置要点： 主设备和从设备必须使用相同的工作模式， 否则无法正确通信。模式0和模式3最为常用。

1. 优缺点总结：

优点：

速度快： 远超I2C和UART。
协议简单： 无需复杂的地址和应答机制，硬件实现容易。
全双工： 数据传输效率高。

缺点：

需要较多引脚： 每个从设备都需要一条独立的片选线，当从设备多时，会占用大量主设备引脚。
没有硬件应答机制： 无法确认数据是否被成功接收。
没有流控制： 数据一旦开始传输，发送方就会以它设定的固定速度（由SCK频率决定）持续发送数据，而不管接收方是否已经准备好接收。
没有统一的设备地址方案， 它使用一根独立的片选线来选中从设备。想跟哪个从设备通信，就把对应的片选线拉低。

五、STM32CubeMX SPI配置

1. 新建工程

双击打开桌面下载好的STM32CubeMX，点击File–>New Project，或直接点击ACCEE TO MCU SELECTOR

Alt

在左边搜索栏里输入使用的芯片型号，右边选中并开始创建

Alt

2. 设置RCC时钟源

设置高/低速时钟源都由外部晶振产生。

Alt

3. 设置SPI参数

可选模式如下
模式选择全双工主机模式，不使能硬件NSS。如果引脚不使用默认引脚，可以通过点击右边的引脚视图修改，看是否有其他引脚支持。
SPI1参数

备注：
1. Basic Parameters（基本参数）

Frame Format (帧格式)： 简单来说，Frame Format 定义了组成一次完整数据传输的“数据包”的结构和规则。即当“发送一个数据”时，这个数据究竟是如何被打包、在线上传输，以及如何被解析的。Motorola 模式: 这就是我们通常所说的标准 SPI 协议或模式 0,1,2,3。 它是由Motorola公司（现为 NXP）最初制定的，也是绝大多数 SPI 设备所使用的格式。使用 NSS 信号（片选）的下降沿标志帧开始，上升沿标志帧结束。TI 模式: 一种变体，由德州仪器定义，使用不同的帧同步方式。简单来说：99% 的情况下，都选择的是 Motorola 模式。 除非你明确知道要连接的从设备是 TI 模式的（例如某些 TI 的音频编解码器）。
Data Size (数据大小)：8 bits: 一次传输 1 个字节。适用于绝大多数传感器、存储器（如读取一个寄存器地址、一个数据值）。16 bits: 一次传输 2 个字节。适用于某些需要连续传输16位数据的设备（如高精度ADC/DAC）。优先选择 8 bits， 除非从设备数据手册明确要求 16 位帧格式。
First Bit (首位)： MSB First: 最高位先行。数据字节的最高位（Bit 7）最先在数据线上传输。LSB First: 最低位先行。数据字节的最低位（Bit 0）最先在数据线上传输。超过99%的SPI设备要求 MSB First。 这是事实上的工业标准。

2. Clock Parameters（时钟参数）

Prescaler(for Baud Rate) (分频器(用于波特率))： 通过对 SPI 外设的输入时钟进行分频，来产生最终的 SPI 串行时钟 SCK。
Baud Rate (波特率/时钟频率)： 定义 SCK 时钟的频率。
Clock Polarity(CPOL) (时钟极性)： 定义 SCK 时钟在空闲时的电平，Low or High。
Clock Phase(CPHA) (时钟相位)： 定义数据在时钟的哪个边沿被采样，1 Edge or 2 Edge。

3. Advanced Parameters（高级参数）

CRC Calculation (循环冗余校验计算)： 是一种用于检测数据传输错误的硬件机制。Disable： 默认选项。不进行CRC校验，用于大多数常规应用。Enable： 使能硬件CRC计算。用于对数据可靠性要求高的场合。
NSS Signal Type(从设备选择信号类型)： 决定了片选信号的管理方式。Software： 软件控制NSS，使用普通GPIO引脚模拟片选，在绝大多数场景下应用，灵活简单。

4. 关于中断

4.1 SPI 中断概念

SPI 中断是一种异步事件处理机制。它允许 CPU 在启动 SPI 传输后不再等待，而是去执行其他任务。当 SPI 传输完成或发生特定事件时，SPI 外设会通过中断信号"通知" CPU，CPU 然后暂停当前工作，跳转到一个特定的函数（中断服务程序）来处理这个 SPI 事件，处理完后再返回原任务。

4.2 三种模式深度解析

模式	核心特点	CPU 状态	函数后缀
阻塞模式	不开中断，原地等待	全程占用	HAL_SPI_Transmit()
中断模式	开中断，异步通知	被释放	HAL_SPI_Transmit_IT()
DMA 模式	开DMA中断，硬件搬运	被释放	HAL_SPI_Transmit_DMA()

1. 阻塞模式（不开中断）

最简单的模式，适用于简单应用或初学者。

工作原理： 调用传输函数后，CPU 进入循环，不断检查 SPI 状态寄存器中的完成标志位（如 TXE 或 RXNE），直到传输完成，函数才返回。

适用场景：
①简单的单任务程序
②传输数据量小且不频繁

2. 中断模式（开中断）

平衡了效率与复杂性的模式，适用于多任务系统。

工作原理： 调用传输函数后，函数立即返回，CPU 被释放。SPI 外设在后台进行数据传输。当传输完成时，SPI 触发一个中断，CPU 跳转到对应的中断服务函数执行后续处理。

配置示例：
在 STM32CubeMX 中使能中断
Alt

适用场景：
①需要同时处理多个任务的系统
②中等数据量传输
③对系统响应速度有要求的应用

3. DMA 模式（开DMA中断）

最高效的模式，适用于大数据量传输。

工作原理： DMA 控制器在 SPI 和内存之间直接搬运数据，完全不需要 CPU 参与。仅在传输开始和结束时需要 CPU 干预。

配置示例：
Alt

适用场景：
①音频、图像数据传输
②高速数据采集
③液晶屏刷新
④任何大数据量SPI传输

5. 时钟配置

时钟源设置
默认时钟源是由内部RC振荡器产生，可通过图中按钮进行修改，外部晶振数值取决于实际电路板上的晶振大小.

Alt
提示：

这里用到的芯片的最大时钟频率是100MHz，有的芯片最大只有72MHz，实际最大频率可通过查看芯片数据手册确定。

时钟频率设置

Alt
①PLLM—PLL输入时钟分频系数，根据自己需要的系统时钟频率来进行修改
②PLLN—主PLL倍频系数（自动计算）
③PLLP—主PLL分频系数（自动计算）
④SYSCLK—系统时钟
⑤HCLK—AHB总线时钟，由系统时钟SYSCLK 分频得到，一般不分频，等于系统时钟
⑥APB1/APB2 Prescaler—APB1/APB2总线的预分频系数，可根据需要修改

6. 工程文件设置

工程设置
注：工程路径中不能有中文，否则会输出错误。
库文件要提前下载好，具体方法在 “【STM32CubeMX学习教程】——1.软件安装” 这一篇文章中有提到。

Alt

代码生成设置

Alt

点击右上角按钮生成代码，之后会出现下面的窗口，再点击打开工程即可在用keil查看工程代码。

Alt

编译成功

六、HAL库中常用的SPI相关代码

1. STM32CubeMX 自动生成的初始化函数

void MX_SPI1_Init(void)
{
  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;          // 8位数据
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;        // CPOL = 0
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;            // CPHA = 0 (模式0)
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;                    // 软件NSS控制
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8;  // 波特率预分频
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;           // MSB先行
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;           // Motorola模式
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;  // 禁用CRC
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;                    // CRC多项式
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

2. 阻塞模式传输 (读取芯片ID)

/**
 * @brief       SPI1读写一个字节数据
 * @param       txdata  : 要发送的数据(1字节)
 * @retval      接收到的数据(1字节)
 */
uint8_t hal_spi1ReadWriteByte(uint8_t txdata)
{
    uint8_t RxData = 0x00;
    if(HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &txdata, &RxData, 1, 1000) != HAL_OK)
	{
		RxData = 0XFF;
	}
    return RxData; /* 返回收到的数据 */
}

/**
 * @brief       读取芯片ID (W25Q128JV--制造商ID:FEh 设备ID:17h)
 * @param       无
 * @retval      FLASH芯片ID
 */
unsigned short W25QXX_ReadID(void)
{
	unsigned short ID = 0;

	HAL_GPIO_WritePin(SPI1_CS_PORT,SPI1_CS_PIN,GPIO_PIN_RESET);  //拉低片选引脚
	
	//发送指令90h和24位地址000000h
	hal_spi1ReadWriteByte(0x90);
	hal_spi1ReadWriteByte(0x00);
	hal_spi1ReadWriteByte(0x00);
	hal_spi1ReadWriteByte(0x00);
	
	//由SPI全双工和同步的特性决定，需要先发一组无效数据例如0xFF才能接收到数据
  ID = hal_spi1ReadWriteByte(0xFF)<<8;  //制造商ID:FEh
  ID |= hal_spi1ReadWriteByte(0xFF);  //设备ID:17h
   
  HAL_GPIO_WritePin(SPI1_CS_PORT,SPI1_CS_PIN,GPIO_PIN_SET);	  //拉高片选
	
	return ID;  //ID：0xEF17
}

3. 中断模式传输

// 启动中断传输
uint8_t tx_data[10] = {0};
uint8_t rx_data[10];
HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, tx_data, rx_data, 10);

// 传输完成回调函数
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
  if (hspi->Instance == SPI1) {
    // 处理接收到的数据
    printf("SPI transfer completed!\n");
  }
}

// 错误回调函数
void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
  printf("SPI error occurred: 0x%lX\n", HAL_SPI_GetError(hspi));
}

4. DMA 模式传输

// 启动DMA传输
uint8_t large_tx_buffer[1000];
uint8_t large_rx_buffer[1000];
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, large_tx_buffer, large_rx_buffer, 1000);

// DMA传输完成回调（与中断模式使用相同的回调函数）
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
  if (hspi->Instance == SPI1) {
    printf("DMA transfer completed!\n");
  }
}