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SPI简介

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工、同步串行通信协议，由摩托罗拉公司提出。STM32F4xx系列微控制器集成了多个SPI外设，支持主从模式通信，常用于与各种外设（如Flash、ADC、LCD等）进行高速数据交换。

1.核心特性：

高速数据传输：SPI的通信速率远高于I²C，适合对速度要求较高的应用。

主从架构：一个主设备可与多个从设备通信，每个从设备通过独立的片选信号（NSS/CS）进行选择。

全双工通信：数据可同时双向传输。

灵活的时钟配置：支持可编程的时钟极性（CPOL）和相位（CPHA），可配置为4种模式。

数据帧格式：支持8位或16位数据帧，MSB或LSB先行。

硬件CRC校验：支持硬件CRC计算，提高通信可靠性。

DMA支持：支持DMA传输，减轻CPU负担。

2.SPI通信通常使用4根信号线：

SCLK（Serial Clock）：串行时钟，由主机产生，用于同步数据传输。

MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入。

MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出。

NSS/CS（Slave Select）：片选信号，低电平有效，主设备通过拉低对应从设备的NSS线来选择通信目标。

3. SPI电气特性（STM32F4xx，3.3V系统）

4. STM32F4xx SPI外设数量

5.SPI典型应用场景

SPI接口因其高速、全双工、协议简单的特点，广泛应用于以下场景：

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SPI通信协议

1.SPI通信的基本过程

起始信号：NSS信号线由高变低，表示通信开始。

数据传输：在SCK的每个时钟周期，MOSI和MISO同时传输一位数据。

数据有效性：数据在SCK的奇数或偶数边沿采样，具体取决于CPHA的设置。

停止信号：NSS信号线由低变高，表示通信结束。

2.时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）

在 STM32 的 SPI 通信中，时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）是两个核心配置参数，它们共同决定了 SPI 总线的时序特性和数据采样方式。CPOL 决定时钟空闲电平（0 为低，1 为高），CPHA 决定采样边沿（0 为第一个，1 为第二个）。

模式 0（CPOL=0, CPHA=0）和模式 3（CPOL=1, CPHA=1）因在上升沿采样数据，抗干扰能力强、兼容性高，广泛支持 SD 卡、Flash 等设备；模式 1（CPOL=0, CPHA=1）和模式 2（CPOL=1, CPHA=0）在下降沿采样，适用于特定低速或需避开信号振铃的场景，但兼容性较差。

选择时需优先匹配从设备规格，模式 0/3 通常为首选。

实际使用如下图所示：

3.SPI通信过程

以全双工主机模式下的 SPI 通信过程为例：

3.1. 通信准备阶段

NSS 拉低（选中从机），SCK 保持空闲状态（由 CPOL 决定初始电平），TXE=1（发送缓冲区为空），RXNE=0（接收缓冲区无有效数据），BSY=0（SPI 空闲）。

3.2. 数据发送阶段

CPU 将数据写入发送缓冲区（SPI_DR），TXE 清 0，SCK 开始生成时钟信号，数据按位从 MOSI 输出至从机。数据发送完成后，TXE 重新置 1（发送缓冲区空），BSY 保持高电平（传输中）。

3.3. 数据接收阶段

从机数据经 MISO 输入，逐位移入接收移位寄存器，最终存入接收缓冲区（SPI_DR），接收完成后 RXNE 置 1（接收缓冲区非空），BSY 仍保持高电平。
4. 连续传输处理

发送端：CPU 检测 TXE=1，继续写入新数据到 SPI_DR，重复步骤 2。

接收端：CPU 读取 SPI_DR（RXNE 清 0），继续接收后续数据。

在整个连续传输期间保持高电平，直到最后一帧传输结束后清 0。

5. 通信结束阶段

NSS 拉高（释放从机），SCK 停止时钟生成，TXE=1（发送缓冲区空），RXNE=0（接收缓冲区已读取），BSY=0（SPI 空闲）。

标志位和数据流向说明：

TXE 标志：指示发送缓冲区状态，空时置 1，写入数据后清 0。

RXNE 标志：指示接收缓冲区状态，有数据时置 1，读取后清 0。

BSY 标志：反映 SPI 整体工作状态，传输期间保持高电平。

数据流向：发送时数据从 CPU→发送缓冲区→MOSI；接收时数据从 MISO→接收缓冲区→CPU。

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SPI功能说明

1.功能框图

STM32F40x/41x 的 SPI 外设包含以下关键模块：

2.SPI模式

2.1 单双工模式

STM32 的 SPI 支持以下三种单双工模式：

2.2  主从模式

STM32 的 SPI 支持以下两种主从模式：

2.3 各种模式的组合

STM32 的 SPI 支持以下六种单双工和主从模式的组合：

单线：使用一条数据线进行数据传输，此时SPI接口的MOSI和MISO引脚合并为一个引脚，数据的发送和接收都是通过这个引脚进行的。在单线模式下，数据传输是半双工或者单工的。

双线：使用两条数据线进行数据传输，分别是MOSI和MISO引脚。在双线模式下，数据传输可以是全双工的，即在同一时刻可以同时进行发送和接收。

STM32的SPI在全双工、半双工、单工和主机模式、从机模式的6种组合模式下都能使用DMA。

2.4 寄存器配置方法

以全双工主机模式为例，SPI_CR1 配置模式、波特率等基本参数，SPI_CR2 控制 DMA 和中断，SPI_SR 显示状态标志，SPI_RXCRCR 和 SPI_TXCRCR 处理 CRC 校验。SPI_CR1 配置基本模式与参数，SPI_CR2 控制中断与 DMA，SPI_SR 反映工作状态，SPI_RXCRCR/TXCRCR 处理 CRC 校验，共同完成 SPI全双工主机模式配置。

程序配置流程：

• 配置SPI引脚：将SPI的SCK、MOSI、MISO引脚配置为复用推挽输出，NSS引脚配置为推挽输出。
  

• 使能SPI时钟：在RCC寄存器中使能SPI的时钟。
  

• 配置SPI_CR1寄存器：
  

• 设置MSTR=1，配置为主机模式。
  

• 设置BIDIMODE=0，选择双线双向模式。
  

• 设置RXONLY=0，禁止只接收模式。
  

• 设置SPE=1，使能SPI。
  

• 设置LSBFIRST=0，选择MSB先行。
  

• 设置BR=0，选择波特率控制。
  

• 设置CPOL=0，选择时钟极性。
  

• 设置CPHA=0，选择时钟相位。
  

• 配置SPI_CR2寄存器：
  

• 设置SSOE=1，使能NSS输出。
  

• 设置TXEIE=0，禁止发送中断。
  

• 设置RXNEIE=0，禁止接收中断。
  

• 设置FRF=0，选择SPI Motorola格式。
  

• 设置ERRIE=0，禁止错误中断。
  

• 配置SPI_SR寄存器：清除相关标志位，如BSY、OVR、MODF、CRCERR。

• 配置SPI_DR寄存器：清零数据寄存器。
  

• 配置SPI_CRCPR寄存器：设置CRC多项式寄存器。
  

• 配置SPI_RXCRCR和SPI_TXCRCR寄存器：清零接收和发送CRC寄存器。
  

• 启动SPI传输：通过写SPI_DR寄存器发送数据，同时读取SPI_DR寄存器接收数据。

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硬件设计

W25Q128型NOR Flash的VCC接3.3V电源，CS引脚上拉10kΩ电阻使其初始位禁用状态，VCC与GND间并联0.1μF去耦电容，SPI接口与STM32对应引脚相连，STM32与W25Q128芯片共地。

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程序设计案例

STM32 的 SPI 接口驱动 W25Q128 串行 Flash 的测试程序，主要功能是初始化 SPI 接口为主机全双工模式（不使用DMA）、读取 Flash ID、擦除扇区、写入数据、读取数据并进行校验，最终通过 LED 和串口输出测试结果。

main.c

int main(void){  /* 设定系统时钟为168MHz */ SystemClock_Config();  LED_GPIO_Config(); LED_BLUE;  /* 配置串口1为：115200 8-N-1 */ DEBUG_USART_Config();  printf("\r\n这是一个16M串行flash(W25Q128)实验(QSPI驱动) \r\n");  /* 16M串行flash W25Q128初始化 */ SPI_FLASH_Init(); /* 获取 Flash Device ID */ DeviceID = SPI_FLASH_ReadDeviceID();  Delay( 200 );  /* 获取 SPI Flash ID */ FlashID = SPI_FLASH_ReadID();  printf("\r\nFlashID is 0x%X,  Manufacturer Device ID is 0x%X\r\n", FlashID, DeviceID);  /* 检验 SPI Flash ID */ if (FlashID == sFLASH_ID)  {  printf("\r\n检测到SPI FLASH W25Q128 !\r\n");  /* 擦除将要写入的 SPI FLASH 扇区，FLASH写入前要先擦除 */ SPI_FLASH_SectorErase(FLASH_SectorToErase);   /* 将发送缓冲区的数据写到flash中 */ SPI_FLASH_BufferWrite(Tx_Buffer, FLASH_WriteAddress, BufferSize); printf("\r\n写入的数据为：\r\n%s", Tx_Buffer);  /* 将刚刚写入的数据读出来放到接收缓冲区中 */ SPI_FLASH_BufferRead(Rx_Buffer, FLASH_ReadAddress, BufferSize); printf("\r\n读出的数据为：\r\n%s", Rx_Buffer);  /* 检查写入的数据与读出的数据是否相等 */ TransferStatus1 = Buffercmp(Tx_Buffer, Rx_Buffer, BufferSize);  if( PASSED == TransferStatus1 ) {  LED_GREEN; printf("\r\n16M串行flash(W25Q128)测试成功!\n\r"); } else {  LED_RED; printf("\r\n16M串行flash(W25Q128)测试失败!\n\r"); } }// if (FlashID == sFLASH_ID) else {  LED_RED; printf("\r\n获取不到 W25Q128 ID!\n\r"); }  SPI_Flash_PowerDown();  while(1); }

bsp_spi_flash.c

void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi){ GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;  /*##-1- Enable peripherals and GPIO Clocks #################################*/ /* Enable GPIO TX/RX clock */ SPIx_SCK_GPIO_CLK_ENABLE(); SPIx_MISO_GPIO_CLK_ENABLE(); SPIx_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE(); SPIx_CS_GPIO_CLK_ENABLE(); /* Enable SPI clock */ SPIx_CLK_ENABLE();   /*##-2- Configure peripheral GPIO ##########################################*/  /* SPI SCK GPIO pin configuration  */ GPIO_InitStruct.Pin = SPIx_SCK_PIN; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FAST; GPIO_InitStruct.Alternate = SPIx_SCK_AF;  HAL_GPIO_Init(SPIx_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);  /* SPI MISO GPIO pin configuration  */ GPIO_InitStruct.Pin = SPIx_MISO_PIN; GPIO_InitStruct.Alternate = SPIx_MISO_AF;  HAL_GPIO_Init(SPIx_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);  /* SPI MOSI GPIO pin configuration  */ GPIO_InitStruct.Pin = SPIx_MOSI_PIN; GPIO_InitStruct.Alternate = SPIx_MOSI_AF;  HAL_GPIO_Init(SPIx_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);   GPIO_InitStruct.Pin = FLASH_CS_PIN ; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; HAL_GPIO_Init(FLASH_CS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); } void SPI_FLASH_Init(void){ /*##-1- Configure the SPI peripheral #######################################*/ /* Set the SPI parameters */ SpiHandle.Instance = SPIx; SpiHandle.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2; SpiHandle.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; SpiHandle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE; SpiHandle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH; SpiHandle.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; SpiHandle.Init.CRCPolynomial = 7; SpiHandle.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; SpiHandle.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; SpiHandle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; SpiHandle.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;  SpiHandle.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;  HAL_SPI_Init(&SpiHandle);   __HAL_SPI_ENABLE(&SpiHandle); }

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实验结果

stm32使用spi接口与W25Q128 通信，读取W25Q128  ID正确，向flash指定地址写入数据并读回，写入和读出数据一致。

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代码链接

工程代码链接：

https://gitee.com/ylm1101111/stm32_basic6.git