STM32单片机入门学习——第39节: [11-4] SPI通信外设

写这个文章是用来学习的,记录一下我的学习过程。希望我能一直坚持下去,我只是一个小白,只是想好好学习,我知道这会很难，但我还是想去做！

本文写于：2025.04.16

前言

   本次笔记是用来记录我的学习过程,同时把我需要的困难和思考记下来,有助于我的学习，同时也作为一种习惯,可以督促我学习,是一个激励自己的过程,让我们开始32单片机的学习之路。
   欢迎大家给我提意见,能给我的嵌入式之旅提供方向和路线，现在作为小白,我就先学习32单片机了,就跟着B站上的江协科技开始学习了.
   在这里会记录下江协科技32单片机开发板的配套视频教程所作的实验和学习笔记内容，因为我之前有一个开发板,我大概率会用我的板子模仿着来做.让我们一起加油！
   另外为了增强我的学习效果：每次笔记把我不知道或者问题在后面提出来,再下一篇开头作为解答！

开发板说明

   本人采用的是慧净的开发板,因为这个板子是我N年前就买的板子,索性就拿来用了。另外我也购买了江科大的学习套间。
   原理图如下
1、开发板原理图

2、STM32F103C6和51对比

3、STM32F103C6核心板

视频中的都用这个开发板来实现,如果有资源就利用起来。另外也计划实现江协科技的套件。

下图是实物图

引用

【STM32入门教程-2023版 细致讲解 中文字幕】
还参考了下图中的书籍:
STM32库开发实战指南：基于STM32F103（第2版）

数据手册

解答和科普

一、SPI外设

软件SPI就是我们用代码手动翻转电平，来实现时序，硬件SPI就是使用STM32内部的SPI外设，来实现时序，两种实现发放各有优势。软件实现主打的是方便灵活，硬件实现主打的是高性能，节省软件资源。

硬件自动执行时序，不用手动翻转电平了，节省软件资源。硬件一旦设计出来，不易更改，所以就会导致外设电路的结构和知识点非常多。而且有很多功能，我们基本上很少用到。所以STM32要使用主线加分支的学习方法。先把最常用、最简单的主线知识点给贯通，给它学会了，然后再逐渐细化，在实践中去慢慢探索这些分支，这些学习起来才是比较容易的，所以大家在看手册学习时，有一些感觉非常偏又非常难的知识点，可以先不必探究。先把主线任务学习好，其他的可以之后再研究。
高位先行，I2C和SPI都是高位先行，串口USART时低位先行。
时钟频率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)，其中PCLK就是外设时钟，APB2的PCLK就是72Mhz，APB1的PCLK是36MHz，比如SPI1是APB2的外设，PLCK=72MHz，那他的SPI时钟频率，最大就是只进行二分频，72M/2=36Mhz。这个频率不是任意指定的，它只能是PCLK执行这些分频之后的数值，最低频率是PCLK的256分频，二是，SPI1和SPI2挂载的总线是不一样的，SPI1(APB2)，PCLK=72M; SPI2(APB1)，PCLK=36M.
可精简为半双工/单工通信
支持DMA；快速搬运数据；
兼容I2S协议，数字音频信号。

左上角核心部分：移位寄存器，右边的数据低位，一位一位地，从MOSI移出去，然后MISO的数据，一位一位地，移入到左边的数据高位，显然移位寄存器应该是一个右移的状态，所以目前表示的是低位先行的配置，右下角有一个LSBFIRST控制位，这一位可以控制低位先行还是高位先行。

这里MOSI和MISO做了个交叉，这一块主要是用来进行主从模式引脚变换的，这个SPI外设，可以做主机，也可以做从机，做主机是这个交叉就不用，如果STM32作为从机，MOSI，为SI,从机输入，这是就要走交叉这一路，输入到移位寄存器，MISO，为SO，从机输出，这时输出的数据，也走交叉的这一路，输出到MISO.交叉就是，主机和从机的输入输出模式不同，如果要切换主机和从机的话，线路就需要交叉一下。
接下来，上下两个数据缓冲区，就还是我们熟悉的设计，这两个数据缓冲区，实际上就是数据寄存器DR,下面发送缓冲区，就是发送数据寄存器TDR，上面接收缓冲区，就是接收数据寄存器RDR,和串口哪里一样,TDR和RDR占用同一个地址，统一叫做DR,写入DR时，数据从这里，写入到TDR,读取DR时，数据从这里，从RDR读出， 数据寄存器和移位寄存器打配合，可以实现连续的数据流，第一个数据写入到TDR,当移位寄存器没有数据移位时，TDR的数据会立刻传入移位寄存器，开始移位，这个转入时刻，会置状态寄存器TXE为1，表示发送寄存器空，当我们检查TXE置1后，紧跟着，下一个数据，就可以提前写入到TDR里候着了，一但上一个数据发完，下一个数据就可以立刻跟进。然后移位寄存器这里，一但有数据过来了，它就会自动产生时钟，将数据移出去，在移出的过程中MISO的数据也会移入，一旦数据移出完成，数据移入是不是也完成了，这时，移入的数据，就会整体地，从移位寄存器转入到接收缓冲区RDR,这个时刻，会置状态寄存器的RXNE为1，表示接收寄存器非空，当我们检查RXNE置1后，就要尽快把数据从RDR读出来，在下一个数据到来之前，读出RDR，就可以实现连续接收。这就是移位寄存器配合数据寄存器实现连续数据流的过程。简而言之，就是发送数据先写入TDR，再转到移位寄存器发送，发送的同时，接收数据，接收到的数据，转到RDR,我们再从RDR读取数据，移位寄存器配合数据寄存器可以实现无延迟的连续传输。

和之前串口、I2C都差不多的意思，当然这三者也是有一些区别的：
比如这里SPI是全双工，发送和接收同步进行，所以它的数据寄存器，发送和接收是分离的，而移位寄存器，发送和接收可以共用

I2C是半双工，发送和接收不会同时进行，所以它的数据寄存器和移位寄存器，发送和接收都是可以共用的，

串口是全双工，并且发送和接收可以异步进行，所以这就要求，它的数据寄存器，发送和接收是分离的，移位寄存器，发送和接收也得是分离的。


右下角内容就是一些控制逻辑，首先是波特率发生器，这个就是用来产生SCK时钟的，它的内部，主要就是一个分频器，输入时钟是PCLK，72M或36M,经过分频器之后，输出到SCK引脚，当然这里生成的时钟肯定是和移位寄存器同步的了，每产生一个周期的时钟移入移出一个Bit，然后右边，CR1寄存器的三个位BR0、BR1、BR2,用来控制分频系数。

LSBFIRST：决定高位先行还是低位先行；
SPE,是SPI使能，就是SPI_Cmd函数配置的位；
BR配置波特率，就是SCK时钟频率；
MSTR,配置主从模式，1是主模式，0是从模式；
CPOL和CPHA，用来选择SPI的4种模式；
SR状态寄存器，最后两个，TXE，发送寄存器空，RXNE，接收寄存器非空；
NSS引脚，从机有效，并不会用到，实现多主机模型，SS引脚，我们直接使用一个GPIO模拟就行，因为SS引脚很简单，就置一个高低电平就行了。
我们需要把这3个设备的NSS全都建接在起，首先。这个NSS。可以配置为输出或者输入，当配置为输出时，可以输出电平告诉别的设备,我现在要变为主机，你们其他设备都绘我变成从机。不要过来捣乱，当配置输入时，可以接收别设备的信号，当有设备是主机，拉低NSS后，我就无论如何也变不成主机了，这就是他的作用。当这个SSOE=1时，NSS作为输出引脚，并在当前设备变为主设备时，给NSS输出低电平，这个输出的低电平，就是告诉其他设备，我现在是主机了。当主机结束后,SSOE要清0，NSS变为输入；这时输入信号就会跑到右边这里，SSM位决定选择那一路，当选择上面一路时，是硬件NSS模式，也就是说，这时外边如果输入了低电平，那当前的设备就进不了主模式，因为NSS低电平，肯定是外部已经有设备进入主模式了；当数据选择器选择下面一路时，是软件管理NSS输入，NSS是1还是0，由这一位SSI决定。

SS用GPIO模拟更方便。
读写DR产生时序的流程：

借助缓冲区，数据前仆后继，实现连续数据流的过程。首先，SS置低电平开始时序，在刚开始时，TXE为1，表示TDR空，可以写入数据开始传输，下面指示的第一步是软件写0x F1至SPI_DR,写入之后，TDR变为0xF1，同时TXE变为0，表示TDR已经有数据了，那此时，TDR是等候区，移位寄存器才是真正的发送区，移位寄存器刚开始肯定没有数据，所以在等候区TDR里的F1,就会立刻转入移位寄存器，开始发送， 转入瞬间，置TXE标志为1，表示发送寄存器空，然后移位寄存器有数据了，波形就自动开始生成。在移位产生波形的时候，等候区TDR是空的，为了移位完成时，下一个数据能不间断地跟随，这里我们就要提早把下一个数据写入到TDR里等着，所以第二步是，软件等待至TXE=1,然后写入第二个数据到TDR.F1数据波形结束后，F2转入移位寄存器开始发送，这是TXE=1,我们尽快把下一个数据F3放到TDR等着，如果只想发送三个字节， 写入之后，我们就不需要写入了 ，等到TXE=1，之后一直是1，在最后TXE=1之后，还需呀等待一段时间，F3的波形才能发送完整，等数据完全发送之后，BUSY标志由硬件清除，这次表示，波形发送完成了；
接收的流程：在第一个发送完成时，第一个字节的接收也完成了，接收到的数据1，是A1,这时移位寄存器的数据，整体转入RDR, RDR随后存储的就是A1，转入的同时，RXNE标志位也置1，表示收到数据了，操作时软件等待RXNE=1，=1表示收到数据了，然后从RDR，读出数据1，这就是第一个接收到的数据，接收之后，软件清除RXNE标志位， 然后，当下一个数据2收到之后，RXNE重新置1，我们检测到RXNE=1时，就继续读出RDR，这是第2个数据A2,最后一个字节的时序完全产生之后，数据3才能收到，数据3到最后才能读出来。然后注意一个字节波形收到后，移位寄存器的数据自动转入RDR，会覆盖原有的数据，所以我们读取RDR要及时，否则下一个数据会覆盖。这个是对时序要求高。这个效率高。发送数据1，发送数据2，接收数据1，发送数据3，接收数据2.

有什么区别:首先，这个配置还是SPI的模式3，SCK默认高电平，如果检测到TXE=1了，TDR为空，就软件写入0xF1至SPI_DR，这时TDR的值变为F1,TXE变为0，目前移位寄存器也是空，所以这个F1会立刻转入移位寄存器开始发送，波形产生，并且TXE置回1，表示你可以发送下一个数据在TDR里等着了，但是，现在区别就来了，在连续模式里，一但TXE=1，就会把下一个数据写入到TDR等着，这样是为了连续传输，数据衔接更紧密，但是这样的话，流程就比较混乱，程序写起来比较复杂，所以在非连续传输里，TXE=1，我们不着急把下一个数据写进去，而是一直等待，等第一个字节时序结束，是不是也意为着接收第一个字节也完成了，这是接收的RXNE会置1，我们等待RXNE置1后，先把第一个接收到的数据读出来，之后再写入下一个字节数据，也就是 这里的软件等待TXE=1,但是较晚写入0xF2至SPI_DR,较晚写入TDR后，数据2开始发送，我们还是不着急写数据3，而是把接收数据2，然后再写入数据3.
第一步，等待TXE为1，第二步，写入发送的数据至TDR，第三步，等待RXNE为1，第四步，读取RDR接收的数据，之后交换第二个字节，重复这4步，这样就可以把这4步封装为一个函数。和之前软件SPI基本是一样的。 只需稍作修改，就可以把软件SPI改成硬件SPI.这就是非连续输出，缺点就是没有及时把下一个数据写入TDR候着，所以等到第一个字节时序完成后，第二个字节还没送过来，那这个数据传输，就会在这里等着，所以这里时钟和数据的时序，在字节与字节之间，会产生间隙，拖慢了整体数据传输的速度。在SCK频率高的时候，间隙拖后腿的现象就比较严重了。

DMA，或者连续传输模式。

问题

1、有的复杂不清晰。

总结

本节课主要是学习了STM32的SPI外设，介绍了SPI的硬件资源，如何工作的，SPI的的工作流程，各个部分如何工作，SPI的基本构成，如何进行配置的流程。