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📌 适用平台：STM32F103C8T6（标准库）

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一、前言

学过I2C的同学应该知道，I2C虽然只用两根线，但协议复杂、速度也不快。那有没有一种通信方式，线稍微多一点，但速度快、协议简单、全双工呢？有！就是今天的主角——SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）。

SPI是STM32芯片内部的一个硬件外设，用来和外部设备进行高速串行通信。常见的应用场景比如：W25Q64闪存、OLED显示屏、SD卡、各种传感器等等。

我的理解：SPI就像一条"高速公路"，I2C像一条"国道"。高速公路上没有红绿灯（不需要应答），车道还多（全双工），所以车速（波特率）能飙得老高。但代价是——占用的引脚多了点，需要4根线。

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二、SPI的"四根线"——先搞清楚引脚

引脚名	全称	方向（主设备视角）	作用
SCK	Serial Clock	输出	时钟线，主设备产生，用来同步数据传输
MOSI	Master Out Slave In	输出	主设备发送，从设备接收
MISO	Master In Slave Out	输入	主设备接收，从设备发送
NSS	Slave Select	输出	片选线，低电平有效，选中哪个从设备

我的理解：NSS就像老师点名，老师（主设备）喊"小明你回答"（拉低对应NSS），小明（从设备）才开始说话。同一时间只能有一个从设备被选中，不然会"抢麦"。

⚠️ 注意：NSS可以硬件控制（SPI外设自动管理），也可以软件控制（用普通GPIO手动拉低拉高）。实际项目中，软件NSS更常用，因为一根NSS只能选一个从机，多个从机时需要多个GPIO。

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三、STM32的SPI外设框图——硬件是怎么干活的？

3.1 官方参考手册框图

这张图来自《STM32F10xxx参考手册》，看起来有点复杂，我们拆分来看：

核心部件：

1. 发送缓冲区（TDR） + 接收缓冲区（RDR）：软件读写数据的地方

2. 移位寄存器：真正负责"一位一位移出去/移进来"的干活单元

3. 波特率发生器：产生SCK时钟频率，由主控制电路管理

4. 主控制电路：协调整个SPI外设的工作

5.  通信电路：处理各种状态标志（TXE、RXNE、BSY等）

关键寄存器：

• SPI_CR1：控制寄存器1，配置主从模式、波特率、CPOL/CPHA、数据帧格式等

• SPI_CR2：控制寄存器2，配置中断使能、DMA等

• SPI_SR：状态寄存器，存放TXE、RXNE、BSY等标志位

3.2 江科大简化版框图

江科大这个简化图更直观，我们顺着数据流走一遍：

发送流程（写数据）：

软件写入 → 发送数据寄存器(TDR) → 移位寄存器 → GPIO → MOSI引脚 → 外部设备

接收流程（读数据）：

外部设备 → MISO引脚 → GPIO → 移位寄存器 → 接收数据寄存器(RDR) → 软件读出

我的理解：移位寄存器就像一个小型"传送带"，一次只能运8位（或16位）数据。TDR和RDR相当于"前台"，移位寄存器相当于"后台"。软件只跟前台打交道，后台的搬运由硬件自动完成。这样做的好处是——软件写入TDR后，硬件会自动搬到移位寄存器去发送，软件不用死等，可以去干别的事。

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四、SPI的工作模式——CPOL和CPHA是个啥？

SPI有四种工作模式，由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）两个位决定：

模式	CPOL	CPHA	SCK空闲状态	数据采样时刻
0	0	0	低电平	第一个边沿（上升沿）
1	0	1	低电平	第二个边沿（下降沿）
2	1	0	高电平	第一个边沿（下降沿）
3	1	1	高电平	第二个边沿（上升沿）

人话解释：

• CPOL=0：SCK不干活的时候（空闲）是低电平；CPOL=1则相反。

• CPHA=0：数据在第一个时钟边沿被"采样"（读取）；CPHA=1则在第二个边沿采样。

我的理解：CPOL决定的是"休息姿势"，CPHA决定的是"什么时候拍照"。两个设备通信时，必须约定好同一个"姿势"和"拍照时机"，不然一个准备拍正面，一个只给背影，那就对不上号了。实际使用中，模式0和模式3最常见。

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五、主模式下的数据传输——连续 vs 非连续

这是SPI编程中最容易搞混的地方！STM32的SPI主模式下，有两种传输方式：

5.1 连续传输（全双工）

这张图信息量巨大，我们一步一步看：

时序流程解析：

1. 软件写入0xF1到SPI_DR → TXE由1变0（发送缓冲区非空），BSY由0变1（开始忙）

2. 数据从TDR转移到移位寄存器 → TXE由硬件置1（发送缓冲区空了，可以写入下一个数据）

3. 软件检测到TXE=1，写入0xF2 → 同时移位寄存器在SCK驱动下发送数据1

4. 数据1发送完成，数据2进入移位寄存器 → 接收到的数据1（0xA1）从移位寄存器转入RDR → RXNE置1

5. 软件检测到RXNE=1，读出0xA1 → RXNE由软件清0

6. 重复上述过程...

关键标志位：

• TXE（Transmit Buffer Empty）：发送缓冲区空。=1时表示可以往SPI_DR写新数据

• RXNE（Receive Buffer Not Empty）：接收缓冲区非空。=1时表示可以从SPI_DR读出接收到的数据

• BSY（Busy）：忙标志。=1时表示SPI正在通信中

我的理解：连续传输的精髓在于"流水线作业"。当第一个数据还在移位寄存器里往外发的时候，第二个数据就已经可以写入TDR排队了。发送和接收是同时进行的（全双工），发完8个时钟的同时，也收完了8个时钟的数据。

5.2 非连续传输（只发不收）

非连续传输的特点是：发完一个字节，等忙完了再发下一个。

时序流程解析：

1. 软件写入0xF1 → BSY置1，TXE变0

2. 等待TXE=1（数据从TDR移到移位寄存器）→ 但软件"较晚"写入0xF2

3. 第一个字节发完，SCK出现间隙 → 因为软件写入晚了，移位寄存器没及时拿到下一个数据，SCK停了一小会儿

4. BSY变0再变1 → 表示中间有空闲

5. 最后一个字节发完后，软件等待BSY=0 → 确保全部发送完毕

我的理解：非连续传输就像"单线程"——发一个，等发完，再发下一个。中间会有SCK的"停顿间隙"。这种方式简单、不容易出错，但效率比连续传输低。对于不要求极限速度的场景，非连续传输完全够用，代码也更简单。

💡 编程提示：如果只想发送不关心接收，可以只判断TXE和BSY；如果全双工收发，必须同时处理TXE（写）和RXNE（读），否则RDR满了会溢出（OVR错误）！

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六、软件SPI vs 硬件SPI——波形对比

这张图对比了软件模拟SPI和硬件SPI的波形：

对比项	软件SPI	硬件SPI
实现方式	GPIO位带操作/库函数模拟时序	配置寄存器，硬件自动完成
CPU占用	高，发送时CPU全程参与	低，CPU只负责读写DR寄存器
速度	慢，受限于CPU指令速度	快，最高可达72M/2=36MHz（F103）
波形质量	可能有抖动，时序不精确	波形规整，时序由硬件保证
代码复杂度	需要自己写时序逻辑	配置好寄存器即可

我的理解：软件SPI就像手写快递单，每一张都要自己填；硬件SPI就像用打印机，设置好模板后自动批量打印。从图里也能看出来，硬件SPI的波形边缘更陡峭、时序更均匀，而软件SPI由于CPU执行指令有先后，边沿可能会有微小抖动。所以能开硬件SPI，尽量开硬件SPI！

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七、SPI的初始化配置要点——需要设置哪些参数？

虽然不讲具体代码，但配置SPI时需要关注的关键参数必须搞清楚，不然代码写出来也是懵的：

7.1 时钟使能

SPI外设和对应的GPIO端口都需要开启时钟。SPI1在APB2总线上，SPI2在APB1总线上，别搞混了。

7.2 GPIO模式配置

引脚	模式	原因
SCK	复用推挽输出	由SPI硬件控制时钟输出
MOSI	复用推挽输出	由SPI硬件控制数据发送
MISO	上拉输入	读取从设备返回的数据
NSS	通用推挽输出（软件控制时）	由软件手动拉高/拉低片选

⚠️ 注意：MISO千万别配成输出模式，不然从设备发来的数据你根本读不到！

7.3 SPI参数配置清单

• 方向：双线全双工（最常用）/ 单线半双工 / 单线只发 / 单线只收

• 主从模式：一般STM32做主设备（Master）

• 数据大小：8位（1字节）或16位，绝大多数情况用8位

• CPOL/CPHA：根据从设备 datasheet 选择，常用Mode 0

• NSS管理：软件NSS（推荐，灵活控制多从机）或硬件NSS

• 波特率预分频：SPI1时钟源72MHz，分频值越大速度越慢。建议先选大分频调通，再逐步提速

• 数据帧格式：高位先行（MSB First，最常用）或低位先行（LSB First）

• CRC校验：一般不用，关闭即可

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八、📌 个人理解 / 心得

（以下为博主个人学习心得，仅供参考）

1. TXE和RXNE的判断时机：刚开始学的时候，我一度纠结是先判断TXE还是先判断RXNE。后来对着参考手册的时序图看了好几遍才明白——写数据前判TXE，读数据前判RXNE，两者是"生产者-消费者"的关系，不能搞混。如果写得太快不读，RDR溢出就会报OVR错误。

2. 波特率的选择：SPI1在APB2上，最高72MHz。预分频最小是2，所以理论最高速36MHz。但实际不要一上来就拉满，先选大分频（低速）调通，再逐步提高速度。特别是用杜邦线连接时，信号干扰大，高速很容易出问题。

3. "交换"的概念要刻进DNA里：SPI是全双工的，不存在"只发送"或"只接收"的纯操作。你每发一个字节，必然同时收一个字节；你想收一个字节，也必须先发一个Dummy字节去维持SCK时钟。很多新手（包括我）一开始会在这个点上绕很久。

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九、⚠️ 踩坑记录

（以下为博主实际踩坑记录，血泪教训）

坑号	现象	原因	解决方案
坑1	SPI初始化后，MOSI和SCK始终没有波形	忘了调用SPI_Cmd()使能SPI外设	初始化最后一定要使能SPI！
坑2	读取的数据全是0xFF或0x00	NSS片选没拉低，从设备根本没响应；或者CPOL/CPHA模式不匹配	用示波器抓波形，确认NSS拉低时机和SCK空闲电平
坑3	连续读取多个字节时，第一个字节对，后面的全错	每次交换字节后没等RXNE就读了，或者读完后没及时清标志	严格按"等TXE→写→等RXNE→读"的顺序，不要省等待！
坑4	波特率设得太高，数据偶尔错乱	杜邦线太长，信号完整性差，高频下波形畸变	降低波特率预分频，或者改用短排线/PCB走线

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十、📋 总结表格

知识点	核心内容
SPI引脚	SCK（时钟）、MOSI（主发从收）、MISO（主收从发）、NSS（片选）
工作模式	由CPOL和CPHA组合成4种模式，常用Mode 0和Mode 3
数据流向	写→TDR→移位寄存器→MOSI；MISO→移位寄存器→RDR→读
关键标志	TXE（发送缓冲空）、RXNE（接收缓冲非空）、BSY（忙）
传输方式	连续传输（效率高，流水线）/ 非连续传输（简单可靠，有间隙）
NSS控制	硬件NSS（自动，单从机）/ 软件NSS（GPIO手动，多从机推荐）
软件vs硬件	硬件SPI速度快、CPU占用低、波形好；软件SPI灵活但慢
编程要点	全双工交换数据，发必收、收必发；严格等待标志位；先低速调通
GPIO配置	SCK/MOSI复用推挽输出，MISO上拉输入，NSS通用推挽输出（软件模式）
初始化顺序	开时钟→配GPIO→设SPI参数→使能SPI

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写这篇文章的时候，我把江科大的视频又回顾了一遍，同时对着《STM32F10xxx参考手册》的SPI章节啃了很久。特别是那张连续传输的时序图，我一开始看得一头雾水，后来拿笔画了画TXE、RXNE、BSY三条线跟SCK的对应关系，才恍然大悟——原来"连续"的精髓是TDR和移位寄存器的双重缓冲。

SPI相比I2C，协议确实简单很多，没有起始位、停止位、应答位的概念，就是纯粹的"你发我收、我发你收"。但简单不代表没有细节，CPOL/CPHA的模式匹配、TXE/RXNE的等待时机、NSS的片选控制，这些都是实打实的坑。希望这篇文章能帮到你，少走点弯路。

📌 开发环境：Keil5 + STM32F103C8T6最小系统板 + ST-Link
📌 参考资料：江科大STM32入门教程、《STM32F10xxx参考手册》
📌 前置文章：江科大STM32入门：SPI通信协议详解——从移位寄存器到时序模式

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