STM32/软件SPI和硬件SPI

本文详细介绍了STM32微控制器中软件SPI和硬件SPI的实现方法及其优缺点。SPI是一种高速全双工同步串行通信协议，通过NSS、SCK、MOSI和MISO四条线进行数据传输，传输速率远高于I2C。软件SPI利用普通GPIO引脚模拟SPI信号，灵活性高但速度慢，CPU占用高。硬件SPI则通过专用硬件模块实现，速度快，CPU占用低，但引脚固定，资源有限。文章还提供了SPI初始化和一个字节数据交换的示

别卷了，累了就睡会吧

1437人浏览 · 2025-07-12 16:13:49

别卷了，累了就睡会吧 · 2025-07-12 16:13:49 发布

2.3 数据的有效性（以CPHA=1为例）

4 SPI主模式下全双工发送和接收过程模式

5.3 SPI初始化（以SPI模式0为例）

5.3.1 软件SPI初始化

5.3.2 硬件SPI初始化

5.4 交换一个字节（以SPI模式0为例）

5.4.1 软件SPI

5.4.2 硬件SPI

1 SPI协议

1.1 SPI协议

一种高速、全双工的同步串行通信协议，主要用于短距离通信。

1.2 四线传输

NSS：从机选择信号线，当多个设备与主机相连并选择指定从机通信时，就把指定从机所连接的NSS信号线置为低电平便可进行通信，置高电平似为结束，主机产生信号。

SCK：时钟信号线，用于同步数据传输，主机产生信号。

MOSI：主设备输出/从设备输入引脚，主机输出信号，从机输入信号，主机产生信号。

MISO：主设备输入/从设备输出引脚，从机输出信号，主机输入信号，从机产生信号。

1.3 传输速率

远大于I2C通信协议传输速率（可高达10MHz）。

2 SPI协议的基本操作

2.1 数据传输

数据以同步数据移位寄存器的方式进行传输并且每个时钟周期交换1位（1个字节=8位）。在前面我们说到SPI是四线传输，其中MOSI和MISO连接在数据移位寄存器上。发送时，数据从“发送缓冲区”加载到发送移位寄存器，再逐位移出到MOSI线；接收时，MISO线上的数据被逐位移入接收移位寄存器，最终存入“接收缓冲区”（注意：数据的逐位移出或移入均为同步执行，而“接收缓冲区”中的数据去向取决于主机的软件配置和系统设计）。SCK时钟信号线用于同步数据位传输。

2.2 起始/停止信号

起始信号：NSS信号线由高电平变为低电平；

停止信号：NSS信号线由低电平变为高电平；

2.3 数据的有效性（以CPOL=0,CPHA=1为例）

MOSI和MISO的数据在SCK时钟信号的上升沿触发，在下降沿采样（数据在时钟下降沿时刻数据有效，其他时刻数据无效）高电平表示数据“1”，低电平表示数据“0”.

2.4 时钟极性和时钟相位

时钟极性CPOL：指SCK在空闲状态（无数据传输状态）下的电平高低；当CPOL=0时表示低电平开始，通信时由低电平跳变为高电平；CPOL=1时表示高电平开始，通信时由高电平跳变为低电平。

时钟相位CPHA：指MOSI和MISO数据的采样时刻，当CPHA=0时MOSI和MISO数据线上的数据将在SCK时钟线的“第一个边沿”被采样，“第二个边沿”进行数据切换；当CPHA=1时MOSI和MISO数据线上的数据将在SCK时钟线的“第二个边沿”被采样，“第一个边沿”进行数据切换。

3 SPI的四种模式

3.1 SPI模式“0”

3.2 SPI模式“1”

3.3 SPI模式“2”

3.4 SPI模式“3”

4 SPI主模式下全双工发送和接收过程模式

4.1 BSY标志

在SPI通信中，BSY标志是由硬件自动设置和清除的状态标志位，用于指示SPI总线当前是否处于忙碌状态
当BSY标志为1时，表示SPI总线正在传输数据，禁止操作SPI控制寄存器（如写入数据或修改配置）。
当BSY标志为0时，表示SPI总线空闲，允许配置或启动新的传输。
主机开始发送数据时，BSY自动置位。
移位寄存器为空且无新数据传输时，BSY自动清零。

4.2 TXE标志

TXE=1表示可以安全写入下一个数据，但不会阻塞传输
当发送缓冲区为空（可写入新数据）时，硬件自动置位TXE=1。
数据从发送缓冲区转移到移位寄存器后，TXE自动置1。
写入数据到SPI_DR寄存器会清除TXE标志（硬件自动清除）。

4.3 RXNE标志

RXNE=1表示接收缓冲器有数据，可以读出；未及时读取数据，新接收的数据会覆盖旧数据
当接收缓冲区有数据可读时，硬件自动置位RXNE=1。
数据从移位寄存器完全移入接收缓冲区后，RXNE置1。
读取SPI_DR寄存器会清除RXNE标志（硬件自动清除）。

5 软/硬件SPI

5.1 软件SPI

通过‌软件模拟时序‌实现的SPI通信协议（即普通GPIO引脚模拟SPI信号，如NSS、SCK、MOSI、MISO）。软件SPI完全依赖CPU通过代码控制每个时钟周期和数据位的电平翻转。

优点：灵活性高，可用任意GPIO引脚；兼容性强，可模拟非标准SPI时序；不需要硬件资源，不依赖芯片SPI外设。

缺点：速度慢，受CPU处理速度限制无法满足高速设备需求；CPU占用高，影响实时性；时序不稳定，受中断、任务调度影响；多从机管理复杂，需手动控制多个NSS引脚。

5.2 硬件SPI

通过微控制器中的专用硬件模块实现SPI通信，通过配置寄存器来自动管理时序。硬件模块负责自动生成时钟信号（SCK）并处理数据的移位操作。

优点：高速通信，支持高频时钟适合高速设备；CPU占用低，数据传输由硬件自动处理；时序精准，时钟边沿和数据采样由硬件控制，稳定性高。

缺点：引脚固定，必须使用芯片指定的SPI引脚；资源有限，芯片的SPI外设数量有限；配置复杂，调试门槛较高。

5.3 SPI初始化（以SPI模式0为例）

5.3.1 软件SPI初始化

void Model_SPI_Init(void)
{
    /*开启时钟*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    /*GPIO初始化*/
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; //上拉输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /*设置默认电平*/
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);  
}

5.3.2 硬件SPI初始化

void Model_SPI_Init(void)
{
    /*开启时钟*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);                     
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

    /*GPIO初始化*/
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  //上拉输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /*SPI初始化*/
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

    /*设置默认电平*/
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);

}

SPI_Mode（模式选择）

SPI_Mode_Master（主模式）
SPI_Mode_Slave（从模式）

SPI_Direction（通信方向选择）

SPI_Direction_2Lines_FullDuplex：SPI设置为双线双向全双工
SPI_Direction_2Lines_RxOnly：SPI设置为双线单向接收
SPI_Direction_1Line_Rx：SPI设置为单线双向接收
SPI_Direction_1Line_Tx：SPI设置为单线双向发送

SPI_DataSize（数据帧格式选择）

SPI_DataSize_16b：SPI 发送接收 16 位帧结构
SPI_DataSize_8b：SPI 发送接收 8 位帧结构

SPI_FirstBit（先行位选择）
SPI_FisrtBit_MSB：数据传输从 MSB（高）位开始
SPI_FisrtBit_LSB：数据传输从 LSB（低）位开始

SPI_BaudRatePrescaler（选择波特率预分频值）

SPI_BaudRatePrescaler2：选择波特率预分频值为2
SPI_BaudRatePrescaler4：选择波特率预分频值为4
SPI_BaudRatePrescaler8：选择波特率预分频值为8
SPI_BaudRatePrescaler16：选择波特率预分频值为16
SPI_BaudRatePrescaler32：选择波特率预分频值为32
SPI_BaudRatePrescaler64：选择波特率预分频值为64
SPI_BaudRatePrescaler128：选择波特率预分频值为128
SPI_BaudRatePrescaler256：选择波特率预分频值为256

SPI_CPOL（时钟极性选择）

SPI_CPOL_High：时钟悬空高（CPOL=1）
SPI_CPOL_Low：时钟悬空低（CPOL=0）

SPI_CPHA（时钟相位选择）

SPI_CPHA_1Edge：数据捕获于第一个时钟沿（CPHA=0）
SPI_CPHA_2Edge：数据捕获于第二个时钟沿（CPHA=1）

SPI_NSS（NSS控制模式选择）

SPI_NSS_Hard：硬件控制NSS
SPI_NSS_Soft：软件控制NSS

SPI_CRCPolynomial（CRC多项式设置）默认值为7

5.4 交换一个字节（以SPI模式0为例）

5.4.1 软件SPI

uint8_t Model_SPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
    uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
    for (i = 0; i < 8; i ++)
    {
        Model_SPI_W_MOSI(!!(ByteSend & (0x80 >> i)));  //写
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
        if (Model_SPI_R_MISO()){ByteReceive |= (0x80 >> i);}  //读
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
    }

    return ByteReceive; 
}

5.4.2 硬件SPI

uint8_t Model_SPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);
    SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);

    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

注：本篇文章涉及位操作和结构体内容如不明白可阅读往期内容。

注：本篇文章主要讲解了什么是SPI和软/硬件SPI等理论及少部分实操，后续会继续发表关于SPI的具体应用。

注：以上内容仅个人理解，不具备唯一性和绝对正确性，仅供参考。