嵌入式学习笔记——SPI协议

SPI协议概述

SPI（Serial Peripheral Interface）是摩托罗拉公司提出的一种同步串行通信协议，用于MCU（微控制器）与外围设备之间的高速数据交换。它是一种全双工通信协议，数据可以在主设备和从设备之间同时传输，广泛应用于FLASH存储器、传感器、液晶显示屏、SD卡等设备。

SPI接口信号介绍

SPI协议使用以下四条主要信号线：

信号名称	说明
MOSI（Master Out, Slave In）	主设备输出，从设备输入，数据从主机发送到从机
MISO（Master In, Slave Out）	主设备输入，从设备输出，数据从从机发送到主机
SCLK（Serial Clock）	串行时钟，由主设备生成，控制数据传输速率
SS（Slave Select）	片选信号，低电平时选中从设备

SPI通信模式

SPI有四种不同的工作模式，它们由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定：

SPI模式	CPOL	CPHA	说明
模式0	0	0	时钟空闲时为低电平，数据在上升沿采样
模式1	0	1	时钟空闲时为低电平，数据在下降沿采样
模式2	1	0	时钟空闲时为高电平，数据在下降沿采样
模式3	1	1	时钟空闲时为高电平，数据在上升沿采样

SPI的通信流程

1. 主设备拉低片选信号SS，选中从设备。
2. 主设备发送时钟信号SCLK，驱动数据传输。
3. 数据通过MOSI和MISO传输，同时进行发送和接收。
4. 数据传输完成后，主设备拉高SS信号，结束通信。

SPI的优缺点

优点

• 高速通信：SPI的通信速率可达几十MHz，比I2C快。
• 全双工传输：同时进行数据发送和接收。
• 简单易用：只需4条信号线，硬件开销较小。

缺点

• 多设备连接复杂：每个从设备都需要一个独立的片选信号。
• 缺少标准化设备地址：不像I2C，SPI必须通过额外的SS信号管理多个设备。

SPI在STM32上的实现

SPI引脚配置

在STM32中，常见的SPI引脚如下：

引脚	说明
PB13	SCLK（时钟信号）
PB14	MISO（从机数据输出）
PB15	MOSI（主机数据输出）
PB12	NSS（片选信号）

SPI初始化代码（STM32F10x）

#include "stm32f10x.h"

void SPI_Init_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

    // 使能GPIOB和SPI2的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE);

    // 配置SPI引脚（PB13 SCLK, PB14 MISO, PB15 MOSI）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 配置SPI参数
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; // 双线全双工
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                      // 配置为主机模式
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                  // 8位数据帧格式
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;                       // 空闲时钟高电平
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;                      // 第二个时钟沿采样数据
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                         // NSS软件管理
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16; // 波特率预分频
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                 // 高位优先
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

    SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);
    SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);
}

SPI主设备发送和接收数据

void SPI_Master_Config(void)
{
    SPI_Init_Config();
    while (1)
    {
        // 等待发送缓冲区为空
        while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
        
        // 发送数据
        SPI_I2S_SendData(SPI2, 0xAA);
        
        // 等待接收缓冲区非空
        while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
        
        // 读取接收到的数据
        uint8_t received_data = SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);
    }
}

SPI从设备数据处理

void SPI_Slave_Config(void)
{
    SPI_Init_Config();
    while (1)
    {
        // 等待接收缓冲区非空
        while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
        
        // 读取接收到的数据
        uint8_t received_data = SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);

        // 等待发送缓冲区为空
        while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
        
        // 发送数据
        SPI_I2S_SendData(SPI2, 0x55);
    }
}

总结

SPI是一种高速、全双工的同步通信协议，适用于各种外围设备的通信。通过STM32的SPI模块，我们可以轻松实现主从机通信。对于初学者，理解SPI的时序、引脚配置以及初始化代码，是使用SPI进行实际工程开发的重要前提。