一、SPI 是什么

SPI 的全称是 Serial Peripheral Interface，即串行外设接口。

它是一种：

• 高速通信总线

• 全双工通信总线

• 同步通信总线

• 主从式通信总线

SPI 常用于连接这些外设：

• 存储芯片，例如 NOR Flash

• AD/DA 转换器

• LCD 显示屏

• 传感器

• 射频模块

• 触摸控制器

与 IIC 相比，SPI 通常速度更快，通信时序也更直接；代价是引脚占用更多，而且一般需要为每个从机准备独立片选信号。

二、SPI 相关引脚

SPI 常见四根信号线如下：

引脚	全称	方向	作用
MOSI	Master Out Slave In	主机输出，从机输入	主机向从机发送数据
MISO	Master In Slave Out	主机输入，从机输出	从机向主机发送数据
SCK	Serial Clock	主机输出	SPI 时钟信号
NSS / CS	Slave Select / Chip Select	主机输出	选择目标从机

SPI 通信中，主机负责产生时钟 SCK。没有 SCK 时钟，从机不会主动完成数据移位。

NSS/CS 用于选择从机。通常：

NSS/CS 拉低 -> 选中从机
NSS/CS 拉高 -> 释放从机

SPI 没有像 IIC 那样统一的设备地址机制，常见做法是通过片选线区分不同设备。

三、SPI 的全双工特性

SPI 的 MOSI 和 MISO 是两根独立数据线，因此可以同时发送和接收数据。

每来一个 SCK 时钟：

主机通过 MOSI 移出 1 bit
从机通过 MISO 移出 1 bit
主机和从机同时完成 1 bit 数据交换

这也是为什么 HAL_SPI_TransmitReceive() 很常用：SPI 的发送和接收天然是绑定在时钟移位过程中的。

即使主机只是想读从机数据，也通常需要发送空字节来提供时钟，例如发送 0xFF，从机再在 MISO 上返回有效数据。

四、SPI 结构框图理解

SPI 的数据发送和接收主要和以下模块有关：

• 数据寄存器

• 发送缓冲区

• 接收缓冲区

• 移位寄存器

• MOSI/MISO/SCK/NSS 引脚

1. 发送过程

发送数据时，CPU 或 HAL 函数先把数据写入 SPI 数据寄存器。

数据会进入发送缓冲区，再通过移位寄存器按位从 MOSI 输出。

简化流程：

CPU/HAL 写 SPI_DR
-> 发送缓冲区
-> 移位寄存器
-> MOSI 引脚输出

2. 接收过程

接收数据时，MISO 上的数据会随着 SCK 时钟逐位进入移位寄存器，然后进入接收缓冲区。

CPU 或 HAL 函数再从 SPI 数据寄存器读取结果。

简化流程：

MISO 输入
-> 移位寄存器
-> 接收缓冲区
-> CPU/HAL 读取 SPI_DR

3. SPI 时钟信号

SPI 时钟由主机产生。

在 STM32 中，SPI 时钟通常通过 SPI_CR1 中的波特率控制位配置。

主机通过调整 SPI 分频系数控制 SCK 频率。从机能否正常通信，取决于它是否支持当前 SCK 频率。

五、SPI 主控制逻辑

SPI 的主控制逻辑主要涉及：

寄存器	作用
SPI_CR1	配置 SPI 主要工作参数
SPI_CR2	配置中断、DMA 等扩展控制
SPI_SR	查看 SPI 当前状态
SPI_DR	存放待发送数据或接收数据

在 STM32F1 中，常见有 3 个 SPI 外设；在部分 F4/F7/H7 系列中，SPI 外设数量更多。实际使用时要以具体芯片手册为准。

六、SPI 工作模式：CPOL 和 CPHA

SPI 的工作模式由两个参数决定：

• CPOL：时钟极性

• CPHA：时钟相位

1. CPOL 时钟极性

CPOL 决定没有数据传输时，SCK 时钟线的空闲电平。

CPOL	SCK 空闲状态
0	低电平
1	高电平

2. CPHA 时钟相位

CPHA 决定在第几个时钟边沿采样数据。

CPHA	采样边沿
0	第 1 个边沿采样
1	第 2 个边沿采样

这里的“第 1 个边沿”和“第 2 个边沿”要结合 CPOL 理解。

例如：

• CPOL = 0 时，空闲为低电平，第 1 个边沿是上升沿。

• CPOL = 1 时，空闲为高电平，第 1 个边沿是下降沿。

3. 四种 SPI 模式

SPI 常见四种模式：

模式	CPOL	CPHA
Mode 0	0	0
Mode 1	0	1
Mode 2	1	0
Mode 3	1	1

主机和从机必须使用相同的 SPI 模式，否则会出现数据错位、读写异常等问题。

很多 SPI Flash 支持 Mode 0 和 Mode 3。使用前要查器件手册，确认它支持哪种模式。

七、SPI 数据帧与传输顺序

SPI 数据帧长度可以配置，常见为 8 位。

数据传输顺序也可以配置：

传输顺序	含义
MSB first	先发送最高位
LSB first	先发送最低位

大多数外设使用 MSB first，也就是先发送高位。

例如发送 0xA5：

0xA5 = 1010 0101
MSB first: 1 -> 0 -> 1 -> 0 -> 0 -> 1 -> 0 -> 1

主从双方的数据帧长度和传输顺序必须一致。

八、SPI_CR1 控制寄存器

SPI_CR1 是 SPI 的核心控制寄存器，用于配置主要工作参数。

常见配置项包括：

配置项	说明
SPI 模式	主机模式或从机模式
通信方向	全双工、单线、只收等
NSS 管理	硬件 NSS 或软件 NSS
数据帧格式	8 位或 16 位等
CPOL	时钟极性
CPHA	时钟相位
波特率分频	控制 SCK 时钟频率
帧格式	MSB first 或 LSB first

在 HAL 库中，这些配置通常通过 SPI_InitTypeDef 结构体完成。

九、SPI_SR 状态寄存器

SPI_SR 用于查询 SPI 当前传输状态。

常见状态位包括：

标志位	含义
TXE	发送缓冲区空
RXNE	接收缓冲区非空

1. TXE

TXE = 1 表示发送缓冲区为空，可以继续写入新的待发送数据。

轮询发送时，常见逻辑是：

等待 TXE = 1
写入 SPI_DR

2. RXNE

RXNE = 1 表示接收缓冲区中已有接收数据，可以读取。

轮询接收时，常见逻辑是：

等待 RXNE = 1
读取 SPI_DR

注意，有些资料或代码中会误写成 RXE，实际常用标志位名称是 RXNE。

十、SPI_DR 数据寄存器

SPI_DR 用于存放待发送或接收的数据。

从软件角度看，它像是一个数据入口和出口：

写 SPI_DR -> 启动发送
读 SPI_DR -> 获取接收数据

但硬件内部通常包含发送缓冲区和接收缓冲区，因此读写 SPI_DR 实际会影响不同的数据路径。

使用 SPI 时要记住：发送和接收是移位同步发生的。发送一个字节的同时，硬件也可能接收到一个字节。

十一、H7 系列 SPI 寄存器差异

在 H7 系列中，SPI 寄存器组织和 F1/F4/F7 有明显差异。

常见寄存器包括：

寄存器	作用
SPI_CFG1	配置 SPI 传输速率和帧格式
SPI_CFG2	配置 SPI 工作模式、NSS 引脚、传输顺序
RCC_D2CCIP1R	SPI 时钟源选择
SPI_CR1	使能 SPI 等控制
SPI_I2SCFGR	选择 SPI/I2S 模式
SPI_SR	查看传输状态
SPI_TXDR	发送数据寄存器，与 TxFIFO 连接
SPI_RXDR	接收数据寄存器，与 RxFIFO 连接

如果使用 H7，不要直接照搬 F1 的寄存器理解。HAL 库能屏蔽一部分差异，但底层排查问题时仍然要看对应系列参考手册。

十二、SPI 相关 HAL 函数

1. 使能 SPI 时钟

使用 SPI 前，需要先使能对应外设时钟：

__HAL_RCC_SPIx_CLK_ENABLE();

例如使用 SPI2，就要使能 SPI2 时钟。

2. 初始化 SPI

调用：

HAL_SPI_Init();

该函数根据 SPI_HandleTypeDef 中的初始化参数配置 SPI。

3. MSP 初始化回调

调用或重写：

HAL_SPI_MspInit();

MSP 初始化通常用于配置：

• SPI 外设时钟

• SCK/MOSI/MISO/NSS 对应 GPIO

• GPIO 复用推挽输出

• 中断或 DMA 相关资源

4. SPI 发送

阻塞发送函数：

HAL_SPI_Transmit();

适合只需要向从机发送数据的场景，例如发送命令、地址或配置字。

5. SPI 接收

阻塞接收函数：

HAL_SPI_Receive();

SPI 接收时通常仍然需要主机产生时钟，因此底层可能会发送空数据来换取接收数据。

6. SPI 发送接收

全双工收发函数：

HAL_SPI_TransmitReceive();

它适合同时发送和接收，例如主机发送命令字节，同时读取从机返回值。

7. 使能和失能 SPI

常用宏：

__HAL_SPI_ENABLE();
__HAL_SPI_DISABLE();

它们用于使能或关闭 SPI 外设。

十三、SPI 相关结构体

HAL 库中常见 SPI 结构体包括：

结构体	作用
SPI_HandleTypeDef	SPI 句柄，保存 SPI 实例、初始化参数和状态
SPI_InitTypeDef	SPI 初始化结构体，与 SPI 主要配置参数相关

SPI_InitTypeDef 中常见字段包括：

• 工作模式：主机或从机

• 通信方向

• 数据帧大小

• CPOL

• CPHA

• NSS 管理方式

• 波特率分频

• 传输顺序

配置 SPI 时，最容易出错的是 CPOL、CPHA、NSS 和分频系数。遇到通信异常时，优先检查这几项。

十四、SPI 基本配置流程

使用 HAL 库配置 SPI，可以按以下步骤理解。

1. 配置 SPI 工作参数

先确定：

• 主机还是从机

• 全双工还是只收/只发

• 数据帧长度

• CPOL / CPHA

• NSS 管理方式

• 波特率分频

• MSB first 还是 LSB first

然后调用：

HAL_SPI_Init();

2. 使能 SPI 时钟并初始化 GPIO

在 HAL_SPI_MspInit() 中完成：

• 使能 SPI 外设时钟

• 使能 GPIO 时钟

• 配置 SCK、MOSI、MISO、NSS 引脚

SPI 引脚常见配置为复用推挽输出模式。

3. 使能 SPI 外设

调用：

__HAL_SPI_ENABLE();

4. SPI 数据传输

根据需求选择：

HAL_SPI_Transmit();
HAL_SPI_Receive();
HAL_SPI_TransmitReceive();

5. 设置 SPI 传输速度

SPI 传输速度由波特率分频控制。

在 STM32 中通常通过 SPI_CR1 中的波特率控制位配置，HAL 中则通过初始化结构体里的分频字段设置。

速度设置要满足两个条件：

1. 不超过从机最大支持频率。

2. 不超过板级连线和信号质量能稳定支持的频率。