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【STM32项目实战】一文了解单片机的SPI驱动外设功能

news 来源：原创 2025/5/16 8:21:14

前言：在前面我有文章介绍了关于单片机的SPI外设CUBEMX配置，但是要想使用好SPI这个外设我们还必须对其原理性的时序有一个详细的了解，所以这篇文章就补充一下SPI比较偏向底层的时序性的逻辑。

1，SPI简介

SPI是MCU最常见的对外通信口之一，由摩托罗拉在上世纪80年代中开发，用于嵌入式系统中器件之间的短距离数据通信，标准模式使用四条信号线。目前常见的应用器件有：LCD模组、以太网模块、SPI串行Flash和很多传感器等，大部分SD卡都具有SPI操作模式

其采用主从模式(Master Slave)架构:支持多 slave 模式应用，般仅支持单 Master。时钟由 Master 控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后(MSB frst):SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几 Mbps 的水平。

总结一下关键特点：

同步通信：通信双方共享一个时钟信号
全双工传输：支持同时发送与接收
速度快：常见支持几MHz甚至几十MHz
多从机支持：主机通过CS片选控制多个从设备

2，SPI的物理接口

文章上面第一个章节我们有提到SPI的标准模式使用四条信号线，比如下面这个图，其中的CSS片选线如果只有一个从机就可以忽略不计（单从机也就是说可以使用三根线），如果有多个从机那么CSS片选线的数量等于从机的数量

主从机内部结构简化图：

3，SPI通信原理详解

按照时钟极性和相位（CPOL & CPHA）可以将SPI协议分成4种模式：

如果 CPOL=0 ，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1 ，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位 (CPHA) 能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0 ，在串行同步时钟的第一个跳变沿 ( 上升或下降 ) 数据被采样；如果 CPHA=1 ，在串行同步时钟的第二个跳变沿 ( 上升或下降 ) 数据被采样

值得注意的是：发送和接收必须使用相同的时钟配置，否则会出现数据偏移或失真。

详细的4种模式的时序示意图：

4，MCU中的SPI外设结构

以 STM32 MCU 为例，SPI模块一般包括以下部分：

寄存器控制：用于配置波特率、主从模式、CPOL/CPHA等参数
TX/RX 缓冲器：发送与接收使用各自的 FIFO
状态寄存器：可判断是否发送完成、是否接收到数据等
中断控制：可设置中断方式发送/接收
DMA支持：支持高速数据传输而不占用CPU

常用寄存器：

SPI_CR1：控制寄存器（如主从、CPOL、CPHA）
SPI_SR：状态寄存器（如TXE/RXNE位）
SPI_DR：数据寄存器（发送/接收）

当然，想了解MCU的SPI外设的特性，主要还是得看对应某一款芯片的参考手册。下面就以STM32F4的参考手册为例。

SPI框图：

5，基于STM32G474的SPI配置示例

都是CUBEMX生成的，大家看看参考一下就可以了。。。

spi.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/********************************************************************************* @file    spi.c* @brief   This file provides code for the configuration*          of the SPI instances.******************************************************************************* @attention** Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.* All rights reserved.** This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file* in the root directory of this software component.* If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.********************************************************************************/
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "spi.h"/* USER CODE BEGIN 0 *//* USER CODE END 0 */SPI_HandleTypeDef hspi1;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx;// #define SPI_DMA_BUFFER_SIZE 16// uint8_t spi_tx_buffer[SPI_DMA_BUFFER_SIZE];
// uint8_t spi_rx_buffer[SPI_DMA_BUFFER_SIZE];
/* spi1 init function */
void MX_SPI1_Init(void)
{/* USER CODE BEGIN spi1_Init 0 *//* USER CODE END spi1_Init 0 *//* USER CODE BEGIN spi1_Init 1 *//* USER CODE END spi1_Init 1 */hspi1.Instance = SPI1;hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_16BIT;hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8;hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;hspi1.Init.CRCPolynomial = 7;hspi1.Init.CRCLength = SPI_CRC_LENGTH_DATASIZE;hspi1.Init.NSSPMode = SPI_NSS_PULSE_DISABLE;if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK){Error_Handler();}/* USER CODE BEGIN SPI1_Init 2 */}void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef* spiHandle)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};if(spiHandle->Instance==SPI1){/* USER CODE BEGIN SPI1_MspInit 0 *//* USER CODE END SPI1_MspInit 0 *//* SPI1 clock enable */__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();/**SPI1 GPIO ConfigurationPB5     ------> SPI1_SCKPB6     ------> SPI1_MISOPB7     ------> SPI1_MOSI*/GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF5_SPI1;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);/* USER CODE BEGIN SPI1_MspInit 1 *//* SPI1 interrupt Init */HAL_NVIC_SetPriority(SPI1_IRQn, 0, 0);HAL_NVIC_EnableIRQ(SPI1_IRQn);/* USER CODE END SPI1_MspInit 1 */}
}void HAL_SPI_MspDeInit(SPI_HandleTypeDef* spiHandle)
{if(spiHandle->Instance==SPI1){/* USER CODE BEGIN SPI1_MspDeInit 0 *//* USER CODE END SPI1_MspDeInit 0 *//* Peripheral clock disable */__HAL_RCC_SPI1_CLK_DISABLE();/**SPI1 GPIO ConfigurationPB5     ------> SPI1_SCKPB6     ------> SPI1_MISOPB7     ------> SPI1_MOSI*/HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7);/* SPI1 interrupt Deinit */HAL_NVIC_DisableIRQ(SPI1_IRQn);/* USER CODE BEGIN SPI1_MspDeInit 1 *//* USER CODE END SPI1_MspDeInit 1 */}
}/* USER CODE BEGIN 1 */
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{if (hspi == &hspi1){// printf("SPI1 DMA Transfer Completed!\r\n");}
}/* USER CODE END 1 */

spi.h

/* USER CODE BEGIN Header */
/********************************************************************************* @file    spi.h* @brief   This file contains all the function prototypes for*          the spi.c file******************************************************************************* @attention** Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.* All rights reserved.** This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file* in the root directory of this software component.* If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.********************************************************************************/
/* USER CODE END Header */
/* Define to prevent recursive inclusion -------------------------------------*/
#ifndef __SPI_H__
#define __SPI_H__#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"/* USER CODE BEGIN Includes *//* USER CODE END Includes */extern SPI_HandleTypeDef hspi1;
extern DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx;
extern DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx;/* USER CODE BEGIN Private defines *//* USER CODE END Private defines */void MX_SPI1_Init(void);/* USER CODE BEGIN Prototypes *//* USER CODE END Prototypes */#ifdef __cplusplus
}
#endif#endif /* __SPI_H__ */