一、SPI协议

1.1 SPI简介

• SPI 是一种通用数据总线，有 4 根通信线 SCK（Serial Clock）、MOSI（主机输出，从机输入）、MISO（主机输入，从机输出）、SS（从机选择，专门用来指定从机的通信线）
• 同步，全双工，支持总线挂载多设备（一主多从，不支持多主多从）
• SPI 无应答机制设计
• SCK 提供时钟信号，数据位的输出输入都限在 SCK 的上升沿或下降沿进行的，此时数据位的收发时刻就可以明确确定。

1.2 SPI与I2C比较

1. 物理连接
SPI：通常需要 4 条线，分别是时钟线（SCK）、主机输出从机输入线（MOSI）、主机输入从机输出线（MISO）以及片选线（CS，每个从机至少需要一根独立的 CS 线，或者通过译码器控制）。SPI 通过 CS 线单独选择特定的从机进行通信。
I2C：仅需两条线，即数据线（SDA）和时钟线（SCL）。所有设备都连接到这两条总线上，通过地址来识别不同的从机。
2. 通信速度
SPI：通信速度相对较快，最高可达几十 Mbps。因为 SPI 是全双工通信，主机和从机可以同时发送和接收数据，且时钟频率由主机控制，可设置较高频率。
I2C：通信速度相对较慢，标准模式下为 100kHz，快速模式为 400kHz，高速模式为 3.4MHz。I2C 是半双工通信，同一时刻 SDA 线只能进行单向数据传输。
3. 寻址方式
SPI：没有专门的寻址字节，通过片选线（CS）来选择从机。主机通过使能特定从机的 CS 线来确定与之通信的从机。
I2C：主机在发送数据前，先发送一个地址字节，包含 7 位或 10 位的从机地址以及 1 位读写位，总线上所有从机通过比对地址来确定是否响应主机。
4. 总线仲裁
SPI：不需要总线仲裁，因为主机通过 CS 线独立控制每个从机，不会出现多个从机同时竞争总线的情况。
I2C：支持总线仲裁。当多个主机同时尝试控制总线时，I2C 通过 “线与” 逻辑（开漏输出结构）来仲裁，具有更高优先级的主机获得总线控制权，避免数据冲突。
5. 应用场景
SPI：适用于高速数据传输的场景，如与 Flash 存储器、ADC、DAC 等外设通信。由于其全双工和高速特性，能快速地读写大量数据。
I2C：常用于连接低速外设，如传感器（温度传感器、加速度计等）、EEPROM 等。I2C 的优点在于使用的引脚少，布线简单，且支持多主机和多从机通信，适用于设备数量较多且通信速率要求不高的系统。

1.3 硬件电路

• 所有 SPI 设备的 SCK、MOSI、MISO 分别连在一起
• 主机另外引出多条 SS 控制线，分别接到各从机的 SS 引脚，主机的 SS 线都是输出，从机的 SS 线都是输入，SS 线低电平有效，从而进行通信。
• 输出引脚 P 配置为推挽输出（在 SS 为低电平时，MISO 才允许变为推挽输出），输入引脚 P 配置为浮空或上拉输入
• SPI典型的应用电路
  

1.4 移位示意图

• 波特率发生器：它产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位
• 发生器的上升沿，所有移位寄存器向左移动一位，移出去的位放在引脚上，发生器的下降沿把引脚上的位，采样输入到移位寄存器最低位。

1.5 SPI的时序基本单元

交换一个字节（模式 1）
时钟极性 CPOL=0：空闲状态时，SCK 为低电平
时钟相位 CPHA=1：SCK 第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据
起始条件：SS 从高电平切换到低电平
终止条件：SS 从低电平切换到高电平

模式1示意图

模式0示意图

模式0和模式1区别：模式0把数据变化的时机给提前了

二、W25Q64(非易失存储器）

2.1 W25Q64简介

• 是一种低成本，小型化，使用简单的非易失性存储器，常用于数据存储，字库存储，固件存储等场景。
• 存储介质：Nor Flash（闪存）
• 时钟频率：80MHz / 160MHz / 320MHz
• 24位地址，最大能分配2²⁴字节，最大寻址能达到16Mb

2.2 硬件电路

2.3W25Q64框图

2.4 Flash 操作注意事项

1.写入操作时：

• 必须先进行写使能
• 每个数据只能由 1 改写 0，不能由 0 改写为 1
• 写入数据前必须先擦除，擦除后，所有的数据位变为 1（0xFF）
• 擦除必须按最小擦除单元进行
• 连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置数据，会回到首页覆盖写入
• 写入操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作

2.读取操作时：

• 直接调用读取时序，无需使能，无需额外操作，没有页的限制
• 读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取

2.5 SPI时序（以W25Q64的时序为例）

在SPI中，通常采用的是指令码+读写数据的模型。具体不同的指令码需要阅读从机的相关手册

模式0：发送指令，向ss指定的设备，发送指令（0x06）写使能
指定地址写：向 SS 指定的设备，发送写指令（0x02），随后在指定地址（address [23:0]）下，写入指定数据

在 0x123456 地址下写入0x55 数据

三、SPI硬件外设

3.1 SPI外设简介

• STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担
• 可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行
• 时钟频率：f_PCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)
• 支持多主机模型、主或从操作
• 可精简为半双工/单工通信
• 支持DMA
• 兼容I2S协议

STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2

3.2 SPI框图

1. 核心信号与外部接口

• MOSI：主机输出、从机输入数据线（Master Output Slave Input）。
• MISO：主机输入、从机输出数据线（Master Input Slave Output）。
• SCK：时钟信号（Serial Clock），由主机生成，同步数据传输。
• NSS：从机选择信号（Slave Select），低电平选中对应从机（也可软件模拟片选）（一般用在多主多从模式，了解即可）。

2. 内部功能模块

• 波特率发生器：根据SPI_CR1寄存器的BR[2:0]位配置，生成SCK时钟频率（由APB总线时钟分频得到）。
• 主控制电路：协调SPI整体工作模式，包括通过SPI_CR1配置主从模式（MSTR）、时钟极性（CPOL）、时钟相位（CPHA）、**数据位顺序（LSB FIRST）**等核心参数。
• 移位寄存器：SPI的“数据中转站”——发送时，数据从发送缓冲区加载到移位寄存器，再逐位通过MOSI移出；接收时，MISO输入的位逐位移入寄存器，满后送入接收缓冲区，供CPU读取。
• 通信电路：处理SPI的时序逻辑、同步机制，配合状态寄存器（SPI_SR）反馈通信状态（如TXE发送缓冲区空、RXNE接收缓冲区非空、OVR溢出等）。
• 寄存器组：
  • SPI_CR1/SPI_CR2：控制寄存器，配置SPI工作模式、速率、中断等。
  • SPI_SR：状态寄存器，实时反馈SPI的工作状态（如忙闲、收发完成标志）。

3. 数据流向逻辑

• 发送：CPU将数据写入“发送缓冲区”→ 数据加载到“移位寄存器”→ 由SCK同步，逐位从MOSI发送到从机。
• 接收：从机通过MISO发送的位，由SCK同步逐位移入“移位寄存器”→ 数据满后，转入“接收缓冲区”→ CPU从接收缓冲区读取数据。

3.3 SPI基本结构

• 初始化SPI步骤
  1. 使能 SPI 及对应 GPIO 时钟
• 开启 SPI 外设时钟（如RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE)）
• 开启对应 GPIO 端口时钟（如 SPI1 通常使用 PA5/6/7 引脚）
  2. 配置 SPI 引脚模式
• 将 SCK、MOSI 引脚配置为复用推挽输出
• 将 MISO 引脚配置为浮空输入或上拉输入
• 例：GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;（复用推挽）
  3. 初始化 SPI 参数
• 配置 SPI 工作模式（主模式SPI_Mode_Master或从模式SPI_Mode_Slave）
• 设置数据帧格式（8 位 / 16 位，如SPI_DataSize_8b）
• 配置时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）
• 设置数据传输顺序（MSB 先行或 LSB 先行）
• 配置分频系数确定 SPI 时钟频率（如SPI_BaudRatePrescaler_2）
  4. 使能 SPI 外设
• 通过SPI_Cmd(SPI1, ENABLE)开启 SPI 功能
  5. （可选）配置中断或 DMA
• 若使用中断：SPI_ITConfig()配置相关中断
• 若使用 DMA：SPI_DMACmd()使能 DMA 请求

3.4 SPI连续传输

1. 主模式全双工连续传输

主模式全双工连续传输比较复杂，如果对时间没有严格要求一般使用非连续传输。

2. 非连续传输

非连续传输函数步骤

1. 等待发送缓冲区为空检查 SPI 状态寄存器的 TXE 位（发送缓冲区空标志），等待其置 1，确保可以写入新数据：
   while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
2. 写入数据到发送缓冲区将待发送的数据写入 SPI 数据寄存器（DR），触发发送过程：
   SPI_I2S_SendData(SPI1, data);
3. 等待发送完成（可选）若需要确保当前数据完全发送完毕再进行后续操作，可等待 BSY 位（忙标志）清零：
   while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET);
4. 非连续发送间隔处理在两次发送之间根据需求添加延迟或其他操作（体现 “非连续” 特性），例如：
   delay_ms(10); // 自定义延时函数，根据实际时序要求调整

3.5 软件/硬件波形对比

• 时序一致性：硬件波形（上方）的时钟、数据等信号在时序上更具规律性，脉冲间隔等更均匀；软件波形（下方）可能因软件执行的延时、中断等因素，时序一致性稍差。
• 稳定性：硬件波形的信号电平、脉冲形状等更稳定，受外界干扰或系统负载影响小；软件波形可能存在更多因软件层面调度等产生的不稳定波动。
• 精准度：硬件基于专用的硬件电路生成波形，在时钟频率、脉冲宽度等参数的精准度上更高；软件模拟波形受软件执行速度、系统时钟等限制，精准度相对略低。

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