嵌入式笔记：常用接口之详解SPI通信协议

最新推荐文章于 2025-04-14 09:46:45 发布

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分类专栏： STM32 文章标签：笔记学习 stm32

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一、SPI协议概述

SPI由Motorola于1980年代推出，采用全双工同步通信模式，具有以下核心特征：
- 高速传输：可达100MHz时钟频率
- 主从架构：支持一主多从拓扑
- 硬件连接：4线制基础配置（SCK/MOSI/MISO/SS）

关于具体的SPI，I2C，UART的特点与比较在之前的博客中都有介绍，这里不再过多阐述。

二、工作原理

2.1 物理层接口

信号线	全称	方向	作用描述
SCK	Serial Clock	主→从	同步时钟信号
MOSI	Master Out Slave In	主→从	主机数据输出
MISO	Master In Slave Out	从→主	从机数据输出
SS/CS	Slave Select	主→从	从机片选信号（低电平有效）

根据英文很容易记住每个信号线的作用

典型连接拓扑：

主机           从机1          从机2
SCK  --------- SCK --------- SCK
MOSI --------- SDI --------- SDI
MISO --------- SDO --------- SDO
SS1 ---------- CS             |
SS2 ------------------------ CS

2.2 数据传输机制

1. 时钟同步：主机生成SCK信号，每个时钟周期传输1bit数据
2. 双工传输：MOSI与MISO同时工作，实现双向通信
3. 数据移位：采用移位寄存器实现串并转换
- 主机寄存器：8位数据通过MOSI移出
- 从机寄存器：同时通过MISO移入数据

2.3 时钟模式配置

SPI通信通过CPOL（时钟极性）与CPHA（时钟相位）组合形成四种工作模式，它们共同决定了 SPI 通信的时序，确保主设备和从设备能够正确地同步和交换数据。

首先了解时钟极性和时钟相位两个概念：

时钟极性 (CPOL - Clock Polarity)

定义: CPOL 决定了 SPI 时钟线 (SCK) 在空闲状态时的电平。换句话说，当没有数据传输时，SCK 应该保持什么电平。

CPOL = 0: SCK 在空闲时保持低电平。

CPOL = 1: SCK 在空闲时保持高电平。

时钟相位 (CPHA - Clock Phase)

定义: CPHA 决定了在 SPI 时钟周期的哪个边沿 (上升沿或下降沿) 采样 (读取) 数据，以及在哪个边沿改变 (输出) 数据。

CPHA = 0:

在 SCK 的第一个边沿 (取决于 CPOL，如果是上升沿或下降沿) 采样 MISO (主设备输入，从设备输出) 和 MOSI (主设备输出，从设备输入) 上的数据。
在 SCK 的第二个边沿 改变 MOSI 和 MISO 上的数据。这意味着数据在时钟边沿发生变化，并在下一个时钟边沿被采样。

CPHA = 1:

在 SCK 的第二个边沿 采样 MISO 和 MOSI 上的数据。
在 SCK 的第一个边沿 改变 MOSI 和 MISO 上的数据。这意味着数据在时钟边沿发生变化，并在同一个时钟边沿被采样。

由此我们可以做出这样的总结：

CPOL 决定空闲状态: SCK 空闲时是高电平还是低电平。
CPHA 决定采样和改变的时机: 决定在哪个时钟边沿采样数据，在哪个时钟边沿改变数据。

CPOL（时钟极性）与CPHA（时钟相位）组合形成的四种工作模式

三、协议进阶特性

1. 独立片选法：

每个从机独占SS线类似并联结构（硬件资源消耗大）

2. 菊花链拓扑：

多个从机串联，数据级联传输

3. 性能优化策略

- 时钟分频：根据设备特性调整SCK频率
- DMA传输：减少CPU占用率
- 双缓冲机制：提升吞吐量

四、SPI协议优缺点分析

优势：
- 传输速率显著高于I2C（可达100Mbps）
- 时钟配置更灵活
- 全双工通信效率高

局限：
- 短距离通信
- 多从机需要较多IO资源(至少四根)
- 没有设备地址，多设备时需要额外的片选线

五、应用场景与开发

1. 存储器访问：NOR Flash、SD卡（SPI模式）
2. 显示驱动：OLED、TFT屏幕
3. 传感器读取：IMU（MPU6050）、环境传感器
4. 无线模块：nRF24L01+、ESP8266

以下是STM32cubeMX的部分代码，仅供参考

static void MX_SPI1_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;				//主机模式
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;	//全双工
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;		//数据位为8位
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;		//CPOL=0
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;			//CPHA为数据线的第一个变化沿
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;					//软件控制NSS
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;//2分频，32M/2=16MHz
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;			//最高位先发送
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;			//TIMODE模式关闭
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//CRC关闭
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;					//默认值，无效
    if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)				//初始化
    {
        _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
    }
}
    
//发送数据
HAL_StatusTypeDef  
HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, 
                 uint8_t *pData, 
                 uint16_t Size, 
                 uint32_t Timeout);
//接收数据
HAL_StatusTypeDef  
HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, 
                uint8_t *pData, 
                uint16_t Size, 
                uint32_t Timeout);