STM32F4_SPI协议详解

最新推荐文章于 2025-10-13 00:03:33 发布

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#stm32 #单片机 #嵌入式硬件

文章详细介绍了STM32F4微控制器如何使用SPI接口与W25Q128Flash芯片进行通信，包括SPI协议的基础知识、物理层和协议层的原理、STM32F4的SPI初始化设置，以及如何配置SPI1为主模式进行数据传输。此外，还展示了针对W25Q128的读写操作和Flash芯片的存储特性。

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6. Flash芯片(W25Q128)简介

1. 什么是SPI

SPI 是由摩托罗拉公司提出的通讯协议，即串行外设接口（Serial Peripheral Interface），SPI是一种高速、全双工（可以同时接收和发送）、同步通信的通信总线，被广泛的应用于ADC、MCU的通信过程中，其相对于IIC最显著的特点就是通讯的速度快，要求通讯速率较高的场合。所以对于通讯速率要求不高的场合，通常使用IIC；通讯速率要求较高的场合，通常使用SPI。

同样的，和IIC协议一样，学习SPI协议，首先也是从其物理层和协议层开始。

2. SPI物理层

这里通过和IIC协议进行比较，来进一步学习SPI协议。

①：IIC协议是通过寻址的方式来找到通讯的从机，那么SPI是通过什么方式呢？

SPI不同于IIC，不是通过寻址的方式来和从机进行通信的，每个从机都挂载着一条独立的SS信号线，该信号线也称为从设备选择信号线，常常称作片选信号线，也称为NSS，CS（其中STM32F4的芯片引脚就是CS）。每个从机的SS信号线独占主机的一个引脚，也可以说是，有多少个从设备，主机上就有多少条片选信号线。将该片选信号线置低电平0，则意味着选择该从机进行SPI通信；将该片选信号线置高电平1，则意味着停止通讯。

事实上，每个从设备都有独立的这一条SS信号线，该信号线独占主机的一个引脚。IIC协议中通过设备地址来寻址，选中总线上某个设备并与其进行通讯；而SPI协议中没有设备地址，它是用SS信号线来寻址，当主机选中从设备时，就将所选的从设备的信号线置为低电平0，即意味着该设备被选中，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：IIC通讯只需要2根串行总线即可，SPI通讯的主机需要哪些特殊的引脚呢？

SCK（Serial Clock）：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯的主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不同，STM32的SPI时钟频率最大为 $f_{pclk}$ /2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

MOSI（Master Output，Slave Input）：主设备输出/从设备输入引脚。主机的设备从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条信号线上数据的方向为主机到从机。

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。

注意：也正是因为这两条MOSI和MISO信号的存在，SPI通讯才能实现全双工，也就是发送和接收可以同步进行，大大增强了通讯的效率。因为IIC通讯只有一条串行数据总线SDA，一根线是不可能单方向的发送，同时也能反方向的接收数据的。而SPI通讯的两根数据线，一根可以用来发送数据，另外一根可以用来接受数据。

3. SPI协议层

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。

3.1 SPI基本通讯过程

①：NSS信号，也就是上面提及的SS信号、CS信号，这三个信号表示的意义是相同的，都表示从机片选信号。NSS信号线由高到低，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，开始准备与主机进行通讯。

⑥：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。

②③④⑤：分别表示触发、采样、触发、采样。SCL高电平期间，不管是MOSI还是MISO输入或者输出，此时信号正在传动，处于不稳定状态，不进行采样。当SCL低电平期间，主从传输的数据进入稳定状态，这个时间段进行采样。

3.2 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，如果需要传输8次，则需要循环传输，且数据输入输出是同时进行的。

3.3 CPOL/CPHA及通讯模式

由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，主机与从机需要工作在相同模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是模式0和模式3；

4. SPI框图及通讯过程

4.1 SPI框图

通讯引脚：STM32F4板载了SPI1，SPI2，SPI3。通常情况下使用SPI1，传输速度较快。SPI2和SPI3可以作为I2S音频协议使用。

时钟控制逻辑：通过控制SPI的BR寄存器来控制SPI协议的波特率。产生SPI时钟。BR[0:2]位控制 $f_{pclk}$ 时钟的分频因子，对 $f_{pclk}$ 的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率。

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。

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可选择MSB先行还是LSB先行。

4.2 通讯过程

5. SPI初始化结构体

跟其他外设一样，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。

typedef struct
{
    uint16_t SPI_Direction; //设置SPI单双向模式
    uint16_t SPI_Mode;  //设置SPI主/从机模式
    uint16_t SPI_DataSize;  //设置SPI的数据帧长度，可选8/16位
    uint16_t SPI_CPOL;   //设置时钟极性，可选高低电平
    uint16_t SPI_CPHA;   //设置时钟相位，可选奇偶边沿采样
    uint16_t SPI_NSS;  //设置NSS引脚由SPI硬件控制还是软件控制
    uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;  //设置时钟分频因子，fpclk/分频数=fSCK
    uint16_t SPI_FirstBit;   //设置MSB/LSB先行  设置高位先行还是低位先行
    uint16_t SPI_CRCPolynomial;  //设置CRC校验的表达式
}SPI_InitTypeD

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