串行通信之SPI

本文介绍了SPI串行通信接口的工作原理及其在STM32上的应用。SPI是一种高速全双工同步通信协议，包含SCK、MOSI、MISO和NSS四条信号线，支持主从架构和四种工作模式。文章详细讲解了STM32标准库中SPI的初始化配置、数据收发函数实现，并通过代码示例展示了完整的使用流程。同时对比了SPI与I2C、UART的特性差异，并提供了常见问题解决方案和DMA传输等高级应用技巧，为开发人员使用SP

Python小老六

1141人浏览 · 2025-07-29 09:09:56

Python小老六 · 2025-07-29 09:09:56 发布

SPI(Serial Peripheral Interface)是一种高速全双工同步串行通信接口，由摩托罗拉公司开发，广泛应用于微控制器与各种外设(如Flash、传感器、ADC等)之间的通信。本文将介绍SPI工作原理，并通过STM32标准库的实际代码示例展示如何使用SPI接口。

一、SPI是什么？——通俗易懂的解释

SPI就像是一个高效的快递系统，它由四个关键部分组成：

SCK(时钟线)：相当于快递车的发车时间表，告诉收发双方何时该发送/接收数据
MOSI(主发从收)：主设备(如STM32)发送数据的专用通道，就像快递车的出库传送带
MISO(主收从发)：主设备接收数据的专用通道，相当于快递车的入库传送带
NSS/CS(片选线)：相当于快递仓库的门禁，只有被选中的设备才能参与通信

SPI最大的特点是全双工同步通信，这意味着数据可以同时双向传输，就像双向车道一样互不干扰

。它的传输速度通常比I2C快得多，可以达到几Mbps。

二、SPI工作原理——深入浅出

1. 主从模式

SPI采用主从架构，就像老师和学生的关系：

主设备(老师)：控制时钟信号，决定什么时候开始和结束通信
从设备(学生)：响应主设备的指令，只有在被选中时才会参与通信

一个主设备可以连接多个从设备，但需要通过不同的片选线(CS)来选择

2. 四种工作模式

SPI有四种工作模式，由两个参数决定：

CPOL(时钟极性)：空闲时时钟线的状态
- 0：空闲时为低电平
- 1：空闲时为高电平
CPHA(时钟相位)：数据采样的时机
- 0：在第一个时钟边沿采样
- 1：在第二个时钟边沿采样

相位补充知识点

3. 数据传输过程

SPI数据传输就像接力传递纸条：

主设备拉低对应从设备的CS线，选中它
主设备通过SCK提供时钟信号
主设备通过MOSI发送数据，同时通过MISO接收数据
数据以移位寄存器的方式一位一位传输，通常是高位(MSB)在前
传输完成后，主设备拉高CS线，结束通信

三、STM32标准库SPI配置实战

下面我们通过STM32标准库的代码示例，详细介绍如何配置和使用SPI接口。

1. SPI初始化配置

首先需要初始化SPI接口和相关的GPIO引脚：

#include "stm32f10x.h"

// 定义SPI和GPIO端口及引脚
#define SPIx SPI1
#define SPIx_CLK_ENABLE() RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE)
#define SPIx_GPIO_PORT GPIOA
#define SPIx_SCK_PIN GPIO_Pin_5
#define SPIx_MISO_PIN GPIO_Pin_6
#define SPIx_MOSI_PIN GPIO_Pin_7
#define NSS_GPIO_PORT GPIOB
#define NSS_PIN GPIO_Pin_0

// SPI配置结构体
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

void SPI1_Init(void)
{
    // 1. 使能时钟
    SPIx_CLK_ENABLE(); // 使能SPI1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    
    // 2. 配置GPIO引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 配置SCK、MOSI为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPIx_SCK_PIN | SPIx_MOSI_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SPIx_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置MISO为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPIx_MISO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(SPIx_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置NSS为普通推挽输出(软件控制)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = NSS_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(NSS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(NSS_GPIO_PORT, NSS_PIN); // 初始状态不选中
    
    // 3. 初始化SPI参数
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; // 双线全双工
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; // 主模式
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; // 8位数据
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; // 时钟极性:空闲低
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; // 时钟相位:第一个边沿采样
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; // 软件控制NSS
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16; // 波特率预分频
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; // MSB优先
    SPI_Init(SPIx, &SPI_InitStructure);
    
    // 4. 使能SPI
    SPI_Cmd(SPIx, ENABLE);
}

2. SPI数据发送函数

下面是主设备发送数据的函数实现：

void SPI_Master_Send(uint8_t* pData, uint16_t Size)
{
    // 1. 拉低NSS，选中从设备
    GPIO_ResetBits(NSS_GPIO_PORT, NSS_PIN);
    
    // 2. 循环发送数据
    while(Size--)
    {
        // 等待发送缓冲区空
        while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
        
        // 发送数据
        SPI_I2S_SendData(SPIx, *pData++);
    }
    
    // 3. 等待传输完成
    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET);
    
    // 4. 拉高NSS，释放从设备
    GPIO_SetBits(NSS_GPIO_PORT, NSS_PIN);
}

3. SPI数据接收函数

SPI是全双工的，发送数据的同时也会接收数据。下面是接收数据的实现：

uint8_t SPI_ReceiveByte(void)
{
    // 发送虚拟数据(0xFF)以产生时钟信号
    SPI_I2S_SendData(SPIx, 0xFF);
    
    // 等待接收缓冲区非空
    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    
    // 返回接收到的数据
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPIx);
}

void SPI_Master_Receive(uint8_t* pData, uint16_t Size)
{
    // 1. 拉低NSS，选中从设备
    GPIO_ResetBits(NSS_GPIO_PORT, NSS_PIN);
    
    // 2. 循环接收数据
    while(Size--)
    {
        *pData++ = SPI_ReceiveByte();
    }
    
    // 3. 拉高NSS，释放从设备
    GPIO_SetBits(NSS_GPIO_PORT, NSS_PIN);
}

4. 主函数示例

下面是一个完整的主函数示例，演示如何发送和接收数据：

int main(void)
{
    // 1. 初始化系统时钟等
    SystemInit();
    
    // 2. 初始化SPI
    SPI1_Init();
    
    // 3. 准备发送数据
    uint8_t txData[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
    uint8_t rxData[4];
    
    while(1)
    {
        // 4. 发送数据
        SPI_Master_Send(txData, sizeof(txData));
        
        // 5. 接收数据
        SPI_Master_Receive(rxData, sizeof(rxData));
        
        // 6. 简单延时
        for(volatile uint32_t i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

四、SPI使用中的常见问题与解决方案

在实际使用SPI时，可能会遇到各种问题。下面列举一些常见问题及其解决方法：

数据传输错误
- 可能原因：CPOL和CPHA设置与从设备不匹配
- 解决方法：检查从设备手册，确保主从设备的模式设置一致
通信完全无响应
- 可能原因：片选信号(NSS)未正确控制
- 解决方法：用逻辑分析仪检查NSS信号，确保在通信期间保持低电平
数据速率不稳定
- 可能原因：波特率预分频设置不当
- 解决方法：降低波特率或检查时钟配置
多从设备冲突
- 可能原因：多个从设备的片选线同时被激活
- 解决方法：确保同一时间只有一个从设备被选中
长距离通信问题
- 可能原因：SPI设计用于短距离通信，长距离会导致信号衰减
- 解决方法：增加驱动电路或改用其他通信协议如RS485

五、SPI与其他通信协议的比较

为了更好地理解SPI的特点，我们将其与常见的I2C和UART协议进行比较：

特性	SPI	I2C	UART
通信方式	同步全双工	同步半双工	异步全双工
线路数量	4线(最少3线)	2线	2线(不含地)
最大速率	几Mbps	400Kbps-3.4Mbps	通常<1Mbps
寻址方式	硬件片选	软件地址	点对点
复杂度	中等	低	低
适用场景	高速外设	中低速外设	设备间通信

从比较可以看出，SPI在速度和全双工方面具有优势，但在多设备支持和线路复杂度方面稍逊于I2C

六、高级SPI应用技巧

对于需要更高性能或更复杂功能的应用，可以考虑以下高级技巧：

使用DMA传输
- 优点：减少CPU开销，提高传输效率
- 实现：配置SPI和DMA控制器，实现自动数据传输
中断驱动通信
- 优点：提高系统响应性
- 实现：使能SPI中断，在中断服务程序中处理数据
硬件NSS管理
- 优点：更精确的片选控制
- 实现：配置SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Hard;
16位数据模式
- 优点：提高传输效率(适合16位外设)
- 实现：设置SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;