嵌入式硬件篇---SPI

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前言

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工的同步串行通信协议，广泛用于连接微控制器与Flash、传感器、显示屏等外设。以下是SPI协议的详细说明及在STM32F103RCT6上的代码实现。

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1. SPI协议基础

1.1 物理层特性

四线制（标准SPI）

SCK

SCK（Serial Clock）：时钟信号，由主机产生。

MOSI

MOSI（Master Out Slave In）：主机输出，从机输入。

MISO

MISO（Master In Slave Out）：从机输出，主机输入。

NSS/CS

NSS/CS（Slave Select）：片选信号（低电平有效）。

三线制（半双工模式）

三线制（半双工模式）：共用数据线（如某些传感器）。

通信模式

1. 支持主从模式（STM32通常为主机）。
2. 全双工或半双工通信。

1.2 通信时序（时钟极性CPOL和相位CPHA）

SPI有4种模式，由**CPOL（Clock Polarity）和CPHA（Clock Phase）**决定：

模式 CPOL CPHA 时钟空闲状态 数据采样边沿
0 0 0 低电平 上升沿采样
1 0 1 低电平 下降沿采样
2 1 0 高电平 下降沿采样
3 1 1 高电平 上升沿采样

常用模式

Mode 0

Mode 0（如Flash芯片）。

Mode 3

Mode 3（如ADXL345加速度计）。

1.3 典型通信流程

1. 主机拉低NSS（选中从机）。
2. 主机产生SCK时钟，通过MOSI发送数据，同时从机通过MISO返回数据。
3. 通信结束后拉高NSS。

2. STM32F103RCT6的SPI硬件配置

STM32F103RCT6有2个SPI接口（SPI1、SPI2），支持主/从模式。以下以SPI1（PA5=SCK, PA6=MISO, PA7=MOSI）为例：

2.1 硬件连接

SPI信号 STM32引脚 说明
SCK PA5 时钟线
MOSI PA7 主机输出
MISO PA6 主机输入
NSS PA4 片选（软件控制）
GND 共地

2.2 CubeMX配置

1. 启用SPI1（模式：Full-Duplex Master）。
2. 配置引脚（PA5/PA6/PA7）。
3. 设置参数：
   Prescaler：时钟分频（如PCLK2/8，9MHz @72MHz主频）。
   CPOL/CPHA：根据从机要求选择（如Mode 0）。
   Data Size：8位或16位。
   NSS：软件管理（Hardware NSS设为Disable）。

3. HAL库代码实现

3.1 SPI初始化

#include "stm32f1xx_hal.h"

SPI_HandleTypeDef hspi1;

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;     // 8位数据
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;  // CPOL=0
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;      // CPHA=0（Mode 0）
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;              // 软件控制NSS
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8; // 9MHz
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;     // 高位先行
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;     // 禁用TI模式
  
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

3.2 基本读写函数

(1) 单字节读写

// 写入1字节并读取1字节（全双工）
uint8_t SPI_ReadWriteByte(uint8_t data) {
  uint8_t rx_data;
  HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &data, &rx_data, 1, 100);
  return rx_data;
}

(2) 多字节连续传输

// 写入多字节（如Flash芯片写命令）
void SPI_WriteBytes(uint8_t *pData, uint16_t size) {
  HAL_SPI_Transmit(&hspi1, pData, size, 100);
}

// 读取多字节（如传感器数据）
void SPI_ReadBytes(uint8_t *pRxData, uint16_t size) {
  HAL_SPI_Receive(&hspi1, pRxData, size, 100);
}

(3) 带片选控制的读写

void SPI_CS_Enable(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) {
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOx, GPIO_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 拉低片选
}

void SPI_CS_Disable(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) {
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOx, GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET); // 拉高片选
}

// 示例：读取W25Q32 Flash的ID
uint32_t W25Q_ReadID(void) {
  uint8_t cmd = 0x90; // 读ID命令
  uint8_t id[4] = {0};
  
  SPI_CS_Enable(GPIOA, GPIO_PIN_4); // 拉低CS
  HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, 100);
  HAL_SPI_Receive(&hspi1, id, 3, 100); // 读取3字节ID
  SPI_CS_Disable(GPIOA, GPIO_PIN_4);   // 释放CS
  
  return (id[2] << 16) | (id[1] << 8) | id[0];
}

4. 软件模拟SPI（GPIO模拟）

如果硬件SPI不可用，可用GPIO模拟时序（适用于低速场景）：

4.1 初始化GPIO

void SPI_GPIO_Init() {
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  // SCK=PA5, MOSI=PA7, MISO=PA6, CS=PA4
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7 | GPIO_PIN_4;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;    // MISO为输入
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  // 初始状态：SCK和MOSI低电平，CS高电平
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);
}

4.2 模拟时序函数（Mode 0）

// 写入1字节并读取1字节
uint8_t SPI_SW_ReadWriteByte(uint8_t data) {
uint8_t rx_data = 0;
for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
// 下降沿准备数据
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // SCK=0
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_7, (data & 0x80) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // MOSI
data <<= 1;
Delay_us(1);

// 上升沿采样数据
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); // SCK=1
rx_data <<= 1;
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_6)) rx_data |= 0x01; // 读取MISO
Delay_us(1);

}
return rx_data;
}

5. 常见问题与调试

5.1 SPI通信失败原因

时钟模式不匹配

确保主机和从机的CPOL/CPHA设置一致（如Flash芯片通常用Mode 0）。

片选信号未控制

通信前拉低NSS，结束后拉高。

时钟频率过高

降低BaudRatePrescaler（如从SPI_BAUDRATEPRESCALER_2改为_8）。

硬件连接错误

检查MOSI/MISO是否接反，SCK是否正常输出。

5.2 逻辑分析仪抓取波形

使用Saleae或PulseView观察：

1. SCK是否连续？
2. MOSI/MISO数据是否对齐时钟边沿？
3. NSS是否在传输期间保持低电平？

6. 完整示例：读取MPU9250的WHO_AM_I寄存器

uint8_t MPU9250_ReadID(void) {
  uint8_t cmd = 0x75 | 0x80; // 读寄存器命令（0x80表示读）
  uint8_t id;
  
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); // CS拉低
  HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &cmd, &id, 1, 100);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);   // CS拉高
  
  return id; // 正确应返回0x71
}

总结

硬件SPI

硬件SPI：使用HAL库的HAL_SPI_Transmit/Receive高效可靠。

软件模拟SPI

软件模拟SPI：灵活性高，适合引脚受限或低速场景。

调试关键

调试关键：检查时钟模式、片选信号、逻辑分析仪波形。
通过上述方法，可稳定实现STM32F103RCT6与SPI设备的通信。

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