stm32——SPI协议

stm32——SPI协议

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STM32的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）协议是一种高速、全双工、同步的串行通信协议，广泛评估微控制器与各种外设（如传感器、器件、显示器、模块等）之间的数据传输。STM32微控制器内置的SPI外设具有高度可配置性，支持多种操作模式和数据格式。

1. SPI协议概述

• 主从架构（Master-Slave Architecture）：SPI通信采用主从模式。通常有一个主设备（Master）和多个从设备（Slave）。主设备负责发起通信、提供时钟信号，并选择通信的从设备。从设备在被选中时响应主设备的请求。
• 同步通信（Synchronous Communication）：数据传输由一个共享的时钟信号（SCK）同步。主设备产生并控制SCK信号。
• 全双工（Full-Duplex）：SPI支持同时进行数据发送和接收，即发送和接收通道是独立的。

2. SPI的四根基本信号线

典型的SPI通信使用四根信号线：

1. SCK (Serial Clock)：串行时钟线。由主设备生成，用于同步主设备和从设备之间的数据传输。
2. MOSI (Master Out Slave In)：主设备输出，从设备输入。主设备通过此线向从设备发送数据。
3. MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出。从设备通过此线向主设备发送数据。
4. SS/ CS (Slave Select / Chip Select) ：从设备选择/片选线。由主设备控制，用于选择通信的从设备。当SS/CS线为低电平（通常为活动低电平）时，对应的从设备被选中并准备好进行通信；当为高电平时，从设备在非选中状态，其MISO线通常会呈高阻态，允许从其他设备共享MISO线。

图1：SPI通信基本连接图（单主多从）

             +---------------------+                 +---------------------+|       Master        |                 |       Slave 1       ||                     |                 |                     |SCK <---|---------------------|------> SCK <---|                     |MOSI <---|---------------------|------> MOSI <---|                     |MISO <---|---------------------|<------ MISO <---|                     |CS1 <---|---------------------|------> SS/CS <---|                     |CS2 <---|---------------------+                 +---------------------+|       Master        ||                     |                 +---------------------+|                     |                 |       Slave 2       ||                     |                 |                     |SCK <---|---------------------|------> SCK <---|                     |MOSI <---|---------------------|------> MOSI <---|                     |MISO <---|---------------------|<------ MISO <---|                     |CS1 <---|                     |                 |                     |CS2 <---|---------------------|------> SS/CS <---|                     |+---------------------+                 +---------------------+

说明：

• SCK、MOSI、MISO线路在多个从设备之间是共享的。
• 每个从设备都需要布线独立的SS/CS线路，主设备通过将对应从设备的SS/CS线路拉低来选择通信的从设备。

3. STM32 SPI工作模式（CPOL和CPHA）

SPI协议的灵活体现在其四种工作模式上，这由时钟时钟（CPOL）和时钟相位（CPHA）两个参数决定。

• CPOL (Clock Polarity)

  ：时钟按钮。定义了SCK信号在空闲状态时的电平。

  • CPOL=0：SCK闲置时间为低水平。
  • CPOL=1：SCK闲暇时间为高档次。

• CPHA (Clock Phase)

  ：时钟相位。定义了数据在SCK的哪个边沿被采样。

  • CPHA=0：数据在SCK的第一个时钟边沿（上升沿或下降沿，CPOL）进行采样。
  • CPHA=1：数据在SCK的第二个时钟边沿（上升沿或下降沿，CPOL）进行采样。

这四个组合组成了四种SPI模式：

• Mode 0 : CPOL=0, CPHA=0 (闲置低电平，第一个边沿采样)
• 模式1：CPOL=0，CPHA=1（闲置低水平，第二个边沿采样）
• 模式2：CPOL=1，CPHA=0（闲置高水平，第一个边沿采样）
• 模式3：CPOL=1，CPHA=1（闲置高水平，第二个边沿采样）

图2：SPI四种工作模式的交互图

SCK (CPOL=0, CPHA=0)
空闲低电平____        ____        ____
_____|    |______|    |______|    |____^        ^|        |采样点    移位点 (数据输出)SCK (CPOL=0, CPHA=1)
空闲低电平____        ____        ____
_____|    |______|    |______|    |____^        ^|        |移位点    采样点SCK (CPOL=1, CPHA=0)
空闲高电平
____        ____        ____|______|    |______|    |____^        ^|        |采样点    移位点 (数据输出)SCK (CPOL=1, CPHA=1)
空闲高电平
____        ____        ____|______|    |______|    |____^        ^|        |移位点    采样点

说明：

• 采样点（Sampling Edge）：接收设备读取数据位的时钟边沿。
• 升降点（Shift Edge）：发送设备将数据位输出到数据线的时钟边沿。

在通信过程中，主设备和从设备必须配置为相同的SPI模式，否则通信将无法正常进行。

4. STM32 SPI数据传输流程

SPI通信是基于移位寄存器的。主设备和从设备内部都有一个移位寄存器。当主设备启动通信时，它会拉低目标从设备的SS/CS线，然后开始生成SCK时钟信号。

在每个时钟周期：

• 主设备将要发送的数据位从其MOSI线上移出。
• 从设备将要发送的数据位从其MISO线路移出。
• 同时，主设备从MISO线接收数据位，从设备从MOSI线接收数据位。

这个过程就像两个升降台首尾相连，数据在主从设备之间“循环”移动。即使只需要单向传输数据，SPI也通常会进行双向数据交换（例如，主设备发送数据时，从设备会发送一些无效数据或初始数据）。

图3：SPI数据传输地图（全双工）

      +-----------+           +-----------+|   Master  |           |   Slave   ||   Shift   |           |   Shift   || Register  |           | Register  |+-----------+           +-----------+|                         |MOSI <-----|-------------------------|-----> 数据从主设备发送到从设备(Master Out, Slave In)MISO <-----|-------------------------|<---- 数据从从设备发送到主设备(Master In, Slave Out)SCK  <-----|-------------------------|-----> 时钟信号 (由主设备提供)SS/CS<-----|------------[选择从设备]------> 片选信号 (由主设备控制)

说明：

• 在每个时钟边沿，主设备和从设备同时进行数据的发送和接收。
• 数据通常为MSB ( Most Significant Bit) First（最高有效位优先）传输，但STM32也支持LSB First（最低有效位优先）传输。

5. STM32 SPI高级特性

STM32的SPI外设还支持以下高级功能，以提高通信效率和可靠性：

• 数据帧格式：支持Motorola和TI帧格式。
• 数据大小：可配置4位到16位数据帧。
• 预分频器（Prescaler）：SPI时钟可以通过预分频器进行分频，以调整通信速度。SPI时钟速度不能超过内部中断频率的一半。
• DMA（Direct Memory Access）：支持DMA传输，可以将数据直接从内存传输到SPI外设或从SPI外设传输到内存，从而减少CPU的干预，提高数据吞吐量。
• CRC (Cyclic Redundancy Check)：支持硬件CRC校验，提高数据传输的可靠性。
• 中断（Interrupts）：SPI外设置可以生成多种中断请求，如串口中断、串口非空中断、错误中断等，方便软件进行事件处理。
• 半双工和只收/只发送模式：除了全双工模式，STM32 SPI还支持半双工（消耗毛发数据线）以及只接收或只发送模式。

6. STM32 SPI配置流程（HAL库示例）

使用STM32Cube HAL库配置SPI通常包括以下步骤：

1. 使能时钟：使能SPI外部设置和相关GPIO端口的时钟。

2. GPIO配置：配置SPI引脚（SCK、MOSI、MISO、SS/CS）为复用功能或通用推挽输出（用于软件SS）。

3. SPI参数初始化

   ：配置SPI实例，包括：

   • 模式（主/从）
   • 数据方向（全双工、半双工等）
   • 数据大小（8位、16位）
   • CPOL、CPHA
   • 波特率预分频器
   • 软件/硬件 NSS 管理
   • 主要传输顺序（MSB/LSB）

4. 使能SPI外设: 启用SPI模块。

5. 数据传输：调用HAL库函数进行数据发送、接收或收发，可以通过阻塞模式（Polling）、中断模式（Interrupt）或DMA模式。

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代码示例(STM32)

1.STM32 SPI操作的整体流程

1. GPIO初始化：配置SPI相关的GPIO引脚（SCK, MISO, MOSI, 以及任选的SS/CS）作为对应的复用功能。
2. SPI外设时钟使能：使能SPI外设时钟。
3. SPI初始化：配置SPI的工作模式（主/从）、数据方向、数据帧大小、时钟相位、时钟相位、波特率预分频参数等。
4. SS/CS 引脚控制（如果使用软件 SS）：如果不使用硬件 SS，则需要手动控制一个 GPIO 引脚作为片选信号。
5. 数据传输：调用HAL库提供的发送、接收或收发函数。
6. 错误处理与中断/DMA回调（如果使用）：在中断或DMA模式下，处理中断回调函数中的数据和错误。

2.具体函数操作顺序（使用STM32CubeIDE生成的HAL库为例）

假设我们使用STM32CubeIDE生成了项目，并且已经配置好SPI外设。以下是核心的代码片段和函数调用顺序：

2.1. 物品工作（通常由CubeIDE自动生成）

在main.c文件中，你会看到以下结构：

// 定义一个SPI句柄
SPI_HandleTypeDef hspi1; // 假设使用SPI1// GPIO初始化函数声明
static void MX_GPIO_Init(void);
// SPI初始化函数声明
static void MX_SPI1_Init(void);int main(void)
{/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init(); // 1. HAL库初始化/* Configure the system clock */SystemClock_Config(); // 2. 系统时钟配置/* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();   // 3. GPIO初始化MX_SPI1_Init();   // 4. SPI外设初始化/* Infinite loop */while (1){/* Add user code here */}
}

2.2. GPIO 初始化函数 ( MX_GPIO_Init)

该函数通常由CubeIDE根据你在GPIO配置页面的设置自动生成。它使能GPIO时钟，并配置各个引脚的模式、上下拉、速度等。

// Example: GPIO init for SPI1 (Master, Full-Duplex, Software NSS)
static void MX_GPIO_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};/* GPIO Ports Clock Enable */__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // Enable GPIOA clock (assuming SPI1 uses PA5, PA6, PA7)__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE(); // Enable GPIOC clock (assuming PC4 for SS/CS)/*Configure GPIO pin : PC4 (CS pin) */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // Output Push-Pull for SS/CSGPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // Low speed for SS/CSHAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);/*Configure GPIO pins : PA5 (SCK), PA6 (MISO), PA7 (MOSI) */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7; // SCK, MISO, MOSIGPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // Alternate Function Push-PullGPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; // High speed for SPI dataGPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF5_SPI1; // Set alternate function to SPI1HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

2.3. SPI外设初始化函数 ( MX_SPI1_Init)

该函数也是由CubeIDE自动生成，负责配置SPI的各种工作参数。

static void MX_SPI1_Init(void)
{/* SPI1 parameter configuration*/hspi1.Instance = SPI1; // 选择SPI1外设hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 配置为SPI主模式hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 双线全双工模式 (MOSI和MISO)hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 数据帧大小为8位hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // 时钟极性：空闲时SCK为低电平 (CPOL=0)hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // 时钟相位：数据在第一个时钟边沿采样 (CPHA=0)hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件片选管理 (如果使用硬件SS，改为SPI_NSS_HARD_INPUT/OUTPUT)hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16; // 波特率预分频，例如PCLK / 16hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; // MSB优先传输hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; // 禁用TI模式hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; // 禁用CRC校验hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; // CRC多项式 (如果CRC开启)// 调用HAL库函数进行SPI初始化if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK){Error_Handler(); // 初始化失败，调用错误处理函数}
}

函数操作顺序总结（初始化阶段）：

1. HAL_Init()：初始化HAL库，包括系统时钟、Systick等。

2. SystemClock_Config()：配置系统时钟（通常由CubeIDE生成）。

3. MX_GPIO_Init()
   

   • __HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()：使能所有相关GPIO端口的时钟。
   • HAL_GPIO_Init()：配置每个SPI引脚的模式、速度、上下拉、复用功能等。

4. MX_SPI1_Init()
   

   • __HAL_RCC_SPIx_CLK_ENABLE()：使能SPI外部设定的时钟。
   • 配置hspi1结构体成员（Instance, Mode, Direction, DataSize, CLKPolarity, CLKPhase, NSS, BaudRatePrescaler, FirstBit, TIMode, CRCCalculation, CRCPolynomial）。
   • HAL_SPI_Init(&hspi1): 调用HAL库函数执行SPI硬件初始化。

2.4. 数据传输操作

在main函数的while(1)循环中，可以执行数据传输操作。在每次通信之前，确保将目标设备的SS/CS引脚拉低，通信结束后再拉高。

使用软件NSS（推荐）：

#define SLAVE_CS_PORT GPIOC
#define SLAVE_CS_PIN GPIO_PIN_4// 示例：发送数据
uint8_t txData[] = {0x01, 0x02, 0x03};
uint8_t rxData[3];
HAL_StatusTypeDef status;// 1. 拉低片选信号，选择从设备
HAL_GPIO_WritePin(SLAVE_CS_PORT, SLAVE_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET); // CS low// 2. 发送数据 (阻塞模式)
status = HAL_SPI_Transmit(&hspi1, txData, sizeof(txData), HAL_MAX_DELAY); // 发送3个字节
if (status != HAL_OK)
{// Handle Error
}// 或者：接收数据 (阻塞模式)
status = HAL_SPI_Receive(&hspi1, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY); // 接收3个字节
if (status != HAL_OK)
{// Handle Error
}// 或者：发送和接收数据 (阻塞模式)
status = HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txData, rxData, sizeof(txData), HAL_MAX_DELAY); // 同时发送和接收3个字节
if (status != HAL_OK)
{// Handle Error
}// 3. 拉高片选信号，释放从设备
HAL_GPIO_WritePin(SLAVE_CS_PORT, SLAVE_CS_PIN, GPIO_PIN_SET); // CS high// 4. 等待一段时间或执行其他操作
HAL_Delay(10); // 例如，等待10ms

函数操作顺序总结（数据传输阶段 - 支撑模式）：

1. HAL_GPIO_WritePin(SLAVE_CS_PORT, SLAVE_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET):拉低 SS/CS从设备中选中。
2. 选择传输函数
   • HAL_SPI_Transmit(&hspi1, pTxData, Size, Timeout): 发送数据。
   • HAL_SPI_Receive(&hspi1, pRxData, Size, Timeout): 接收数据（发送空字节）。
   • HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, pTxData, pRxData, Size, Timeout)：同时发送和接收数据。
3. HAL_GPIO_WritePin(SLAVE_CS_PORT, SLAVE_CS_PIN, GPIO_PIN_SET):拉高SS/CS以从设备释放。

2.5. 中断和DMA模式（高级应用）

如果使用中断或DMA模式，数据传输函数此时非阻塞的，并且需要处理回调函数：

中断模式：

1. 使能SPI中断

   MX_SPI1_Init()
   

   之后，通常会包含以下代码（或在CubeIDE中勾选）：

   HAL_NVIC_SetPriority(SPI1_IRQn, 0, 0); // 设置中断优先级
   HAL_NVIC_EnableIRQ(SPI1_IRQn); // 使能SPI1中断
   

2. 传输函数

   • HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, pTxData, Size)
   • HAL_SPI_Receive_IT(&hspi1, pRxData, Size)
   • HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, pTxData, pRxData, Size)

3. 中断回调函数

   • HAL_SPI_TxCpltCallback(&hspi1): 发送完成回调
   • HAL_SPI_RxCpltCallback(&hspi1): 接收完成回调
   • HAL_SPI_TxRxCpltCallback(&hspi1): 收发完成回调
   • HAL_SPI_ErrorCallback(&hspi1): 错误回调

DMA模式：

1. 配置DMA通道：在CubeIDE中配置DMA（Tx和Rx）。
2. 传输函数
   • HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, pTxData, Size)
   • HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, pRxData, Size)
   • HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, pTxData, pRxData, Size)
3. DMA中断回调函数：与中断模式类似，DMA传输完成后会触发对应的SPI回调函数。

函数操作顺序总结（中断/DMA模式）：

1. 初始化阶段
   • 确定中断或DMA配置正确（使能中断/DMA通道，设置优先级）。
   • HAL_SPI_Init()内部会处理中断使能（如果是中断模式）或DMA关联。
2. 传输等级
   • HAL_GPIO_WritePin()（SS/CS 低）
   • 调用HAL_SPI_Transmit_IT/DMA()或HAL_SPI_Receive_IT/DMA()或HAL_SPI_TransmitReceive_IT/DMA()。这些函数会立即返回。
   • 在主程序中，可以执行其他任务。
   • 等待或响应回调：在HAL_SPI_TxCpltCallback、HAL_SPI_RxCpltCallback或HAL_SPI_TxRxCpltCallback中处理数据完成的逻辑。
   • 在这些回调函数中，通常会执行HAL_GPIO_WritePin()(SS/CS high)来从设备释放，或者触发下一个传输。
   • 处理HAL_SPI_ErrorCallback中的错误。

3、注意事项

• 时钟匹配：确保STM32主设备和从设备的SPI模式（CPOL和CPHA）完全匹配。
• SS/CS管理：这是SPI通信的关键。一定要在每次通信前拉低SS/CS，结束通信后拉高，以确保从设备正确响应。如果是多从设备，每次只能选中一个从设备。
• 数据蜡烛图：确定发送和接收蜡烛图的大小足以容纳所有数据。
• 错误处理：经常检查HAL函数的返回值，并在出现HAL_ERROR或HAL_TIMEOUT时进行适当的错误处理。
• 同步与异步：阻塞模式（轮询）简单但效率低；中断和DMA模式更复杂但能提高CPU利用率和数据吞吐量。
• 数据字节顺序：默认为MSB First，如果从设备为LSB First，需要在初始化时修改FirstBit成员。

以上是使用STM32 HAL库进行SPI通信的典型函数操作顺序。实际项目中，可能会根据具体的设备和应用需求进行参数。

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总结：

STM32的SPI协议是一种强大而灵活的串行通信方式。了解其主从架构、四线连接、CPOL/CPHA定义的工作模式以及数据传输机制，对于在STM32项目中有效地应用SPI关键。STM32提供了丰富的硬件特性和灵活的软件配置选项，能够满足各种应用场景下的高速、可靠的通信需求。