Cortex-M3-STM32F1 开发：（五十二）详细介绍了 SPI 的结构、工作模式、寄存器、函数等
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SPI
SPI：串行外设设备接口（Serial Peripheral Interface）
1）简介
SPI 是一种高速的，全双工，同步的通信总线。主要应用于存储芯片、片外 AD 转换器以及 LCD/OLED 等。
主机一般是 MCU 主板上的 SPI 外设，从机一般是其他的传感器，并且主机也可以是从机（此主板作为另一个主板的从机），但是传感器这些从机是当不了主机的。
① SPI 和 IIC 的区别如下
SPI 一般是全双工、8位、高位先行。
SPI 其实也是支持半双工的，不过用的非常少，具体看下面的结构框图。主机一般是 MCU。
采样时机指的是：当时钟信号处于什么状态时，设备会读取数据线上的数据（ 数据线上高电平表示 1 ，低电平表示 0 ）：
- SPI 遵循边沿采样协议，即当时钟信号处于上升/下降沿的时候，才会读取数据线上的电平
- IIC 遵循电平采样协议，当时钟信号为高电平时，才会读取数据线上的电平
② 主机/从机连接图
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SCK：时钟线 ，时钟信号由主机发出
- SCK 有时也叫 SCLK
- SCK 有时也叫 SCLK
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MOSI（Master Out Slave In）：主机输出、从机输入 ，主机通过这条线向从机发送数据
- 站在从设备角度，MOSI 有时也叫 SDI（Serial Data In，串行数据输入）
- 站在从设备角度，MOSI 有时也叫 SDI（Serial Data In，串行数据输入）
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MISO（Master In Slave Out）：主机输入、从机输出 ，从机通过这条线向主机返回数据
- 站在从设备角度，MISO 有时也叫 SDO（Serial Data Out，串行数据输出）
- 站在从设备角度，MISO 有时也叫 SDO（Serial Data Out，串行数据输出）
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CS：片选引脚，用来选择从机 ， C S ‾ \overline{CS} CS 上方的横杠表示低电平有效，将某个从机的 CS 引脚电平拉低，则意味着选中。
- CS 有时也叫 SS、NSS 。
- CS 有时也叫 SS、NSS 。
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引脚要一一对应，MOSI 引脚互联、MISO 引脚互联…
2）F1 SPI 主机结构框图（了解即可）
F1 和 F4 的框图如下，F7 和 H7 的不一样
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SPI 相关引脚
- MOSI：输出数据线
- MIS0：输入数据线
- SCK：时钟
- NSS：片选
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数据发送和接收
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与缓冲区、移位寄存器以及引脚相关，LSBFIRST 位控制低位还是高位先行
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数据发送和接收流程图
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数据的发送和接收是同步的，当发送一个 bit 时，会同时接收一个 bit 。
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时钟信号
- SPI 时钟信号是通过 SPI_CR1 寄存器配置波特率产生的
- 时钟频率： f P C L K / ( 2 , 4 , 8 , 16 , 32 , 64 , 128 , 256 ) f_{PCLK}/(2,4,8,16,32,64,128,256) fPCLK/(2,4,8,16,32,64,128,256)，这里的 f P C L K f_{PCLK} fPCLK 是 APB1（max=72MHz）或 APB2（max=32MHz）的时钟。
- 每产生一个时钟脉冲，主机和从机就同步移入/移出一个 bit。
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主控制逻辑
- 涉及两个控制寄存器 SPI_CR1/2 用于配置 SPI 工作，SPI_SR 用于查看工作状态
① STM32 芯片普遍包含多个 SPI 外设
所有内置的 SPI 外设（如 SPI1、SPI2、SPI3 等）都是由 MCU（即 STM32 本身）作为主控制器（Master）来使用的
为什么要设计多个 SPI 外设？
- 同时连接多个 SPI 设备，避免分时复用带来的效率损失。
- 支持不同通信参数（如速率、模式），无需频繁重配置。
- 提升系统性能与实时性，可配合 DMA 实现并发传输。
- 优化 PCB 布局和引脚分配，减少干扰，提高可靠性。
② SPI 外设对应的引脚
STM32F1 有三个 SPI，引脚如下表所示：
F4 / F7 / H7 系列芯片 SPI 外设都有 6 个。
3）工作模式
SPI 的工作模式由 时钟极性（CPOL）、时钟相位（CPHA） 共同决定，主要是为了配置上升沿还是下降沿采样。
工作模式不分主机和从机，配置好之后，主机和从机同时发、同时收。
时钟极性（CPOL）：没有数据传输时时钟线的空闲状态电平
- 0：SCK 在空闲状态保持低电平
- 1：SCK 在空闲状态保持高电平
时钟相位（CPHA）：时钟线在第几个时钟边沿采样数据
- 0：在 SCK 的第一（奇数）边沿进行数据采样（接收），在第二边沿进行数据更新（发送）
- 1：在 SCK 的第二（偶数）边沿进行数据采样（接收），在第一边沿进行数据更新（发送）
① 工作模式表
| 模式 | CPOL | CPHA | 空闲时 SCLK 电平 | 数据采样（接收）时刻 | 数据更新（发送）时刻 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 低 | 上升沿（第1个边沿，奇数） | 下降沿（第2个边沿，偶数） |
| 1 | 0 | 1 | 低 | 下降沿（第2个边沿，偶数） | 上升沿（第1个边沿，奇数） |
| 2 | 1 | 0 | 高 | 下降沿（第1个边沿，奇数） | 上升沿（第2个边沿，偶数） |
| 3 | 1 | 1 | 高 | 上升沿（第2个边沿，偶数） | 下降沿（第1个边沿，奇数） |
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数据采样 = 接收 方读取数据线（MISO 或 MOSI）上的电平（主机读取 MISO 线上的值，从机读取 MOSI 线上的值）
-
数据更新 = 发送 方在该时刻把下一位数据放到数据线上，以便对方能正确读取
-
通常使用的是工作模式 0（00）或工作模式 3（11）。
② 实例，波形以主机 MOSI（发送）为例
黄色 SCK，绿色 MOSI，MSB 先发，8 位数据格式，发送数据为 0X55=01010101（由于是 MOSI ，所以看起来会有些别扭）
以 CPOL=0、CPHA=0 为例：
- 上升沿（奇数边沿）的时候进行数据采样，主机 MOSI 此时已经将发送数据稳定，从机进行数据读取；
- 下降沿（偶数边沿）的时候进行数据更新，主机 MOSI 此时将下一位数据放到了数据线上；
以 CPOL=1、CPHA=1 为例：
- 上升沿（偶数边沿）的时候进行数据采样，主机 MOSI 此时已经将发送数据稳定，从机进行数据读取；
- 下降沿（奇数边沿）的时候进行数据更新，主机 MOSI 此时将下一位数据放到了数据线上；
4）相关寄存器（F1/F4/F7）
对于 H7 系列，寄存器非常之多。
① SPI_CR1
控制寄存器1主要用来配置：SPI 模式、方向、NSS、数据帧、CPOL、CPHA、波特率、帧格式。
F1 的 SPI1 时钟挂 APB2 ，SPI2、3 挂 APB1 。
② SPI_SR
当 TXE 位置 1 时，表示数据已经全部发送出去
当 RXE 位置 1 时，表示已经接收到数据
③ SPI_DR
8 位模式下，只用低 8 位。
5）SPI相关HAL库驱动介绍（F1/F4/F7）
要更改参数的话，需要先失能 SPI 外设，修改完之后再使能。
SPI 外设相关结构体：SPI_HandleTypeDef 和 SPI_InitTypeDef
-
SPI_HandleTypeDef：
SPI_TypeDef *Instance SPI_InitTypeDef Init -
SPI_InitTypeDef：
uint32_t Mode /* SPI模式（主机） */ uint32_t Direction /* 工作方式（全双工） */ uint32_t DataSize /* 帧格式（8位） */ uint32_t CLKPolarity /* 时钟极性（CPOL = 0） */ uint32_t CLKPhase /* 时钟相位 （CPHA = 0）*/ uint32_t NSS /* SS控制方式（软件） */ uint32_t BaudRatePrescaler /* SPI波特率预分频值 */ uint32_t FirstBit /* 数据传输顺序（MSB）*/ uint32_t TIMode /* 帧格式：默认Motorola / TI */ uint32_t CRCCalculation /* 设置硬件CRC校验 */ uint32_t CRCPolynomial /* 设置CRC校验多项式 */ …
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