STM32的SPI外设

1. STM32 的 SPI 外设简介

STM32 的 SPI 外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的 SCK 时钟频率为 fpclk/2 (STM32F407 型号的芯片默认 fpclk142MHz， fpclk2 为 84MHz)，完全支持 SPI 协议的 4 种模式，数据帧长度可设置为 8 位或 16 位，可设置数据 MSB 先行或 LSB 先行。

2. STM32 的 SPI 架构剖析

2.1 通讯引脚

SPI 的所有硬件架构都从图 SPI 架构图 中左侧 MOSI、 MISO、 SCK 及 NSS 线展开的。 STM32 芯片有多个 SPI 外设，它们的 SPI 通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表 STM32F4xx 的 SPI 引脚。关于 GPIO 引脚的复用功能，可查阅《STM32F4xx 规格书》，以它为准。

STM32F4xx 的 SPI 引脚

引脚	SPI 编号
	SPI1	SPI2	SPI3	SPI4	SPI5	SPI6
MOSI	PA7/PB5	PB15/PC3/PI3	PB5/PC12/PD6	PE6/PE14	PF9/PF11	PG14
MISO	PA6/PB4	PB14/PC2/PI2	PB4/PC11	PE5/PE13	PF8/PH7	PG12
SCK	PA5/PB3	PB10/PB13/PD3	PB3/PC10	PE2/PE12	PF7/PH6	PG13
NSS	PA4/PA15	PB9/PB12/PI0	PA4/PA15	PE4/PE11	PF6/PH5	PG8

其中 SPI1、 SPI4、 SPI5、 SPI6 是 APB2 上的设备，最高通信速率达 42Mbtis/s， SPI2、 SPI3 是 APB1上的设备，最高通信速率为 21Mbits/s。

2.2 时钟控制逻辑

SCK 线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器 CR1”中的 BR[0:2] 位控制，该位是对 fpclk时钟的分频因子，对 fpclk 的分频结果就是 SCK 引脚的输出时钟频率，计算方法见表 BR 位对 fpclk的分频 。

其中的 fpclk 频率是指 SPI 所在的 APB 总线频率， APB1 为 fpclk1， APB2 为 fpckl2。
通过配置“控制寄存器 CR”的“CPOL 位”及“CPHA”位可以把 SPI 设置成前面分析的 4 种 SPI模式。

2.3 数据控制逻辑

SPI 的 MOSI 及 MISO 都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的内容来源于接收缓冲区及发送缓冲区以及 MISO、 MOSI 线。

• 当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；

• 当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。

通过写 SPI 的“数据寄存器 DR”把数据填充到发送缓冲区中，通过“数据寄存器 DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。

2.4 整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个 SPI 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的 SPI 模式、波特率、 LSB 先行、主从模式、单双向模式等等。

在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解 SPI 的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 SPI 中断信号、 DMA 请求及控制 NSS 信号线

实际应用中，一般不使用 STM32 SPI 外设的标准 NSS 信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

3. 通讯过程

STM32 使用 SPI 外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器 SR”的不同数据位写入参数，通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
图主发送器通讯过程 中的是“主模式”流程，即 STM32 作为 SPI 通讯的主机端时的数据收发过程

主模式收发流程及事件说明如下：

(1) 控制 NSS 信号线，产生起始信号
(2) 把要发送的数据写入到“数据寄存器 DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；
(3) 通讯开始， SCK 时钟开始运行。 MOSI 把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去； MISO 则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；
(4) 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器 SR”中的“TXE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；
(5) 等待到“TXE 标志位”为 1 时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器 DR”写入数据即可；等待到“RXNE 标志位”为 1 时，通过读取“数据寄存器 DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

假如使能了 TXE 或 RXNE 中断， TXE 或 RXNE 置 1 时会产生 SPI 中断信号，进入同一个中断服务函数，到 SPI 中断服务程序后，可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用 DMA 方式来收发“数据寄存器 DR”中的数据。

4. SPI 初始化结构体详解

STM32 标准库提供了 SPI 初始化结构体及初始化函数来配置 SPI 外设。初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f4xx_spi.h”及“stm32f4xx_spi.c”中

typedef struct
{uint16_t SPI_Direction; 	/* 设置 SPI 的单双向模式 */uint16_t SPI_Mode; 			/* 设置 SPI 的主/从机端模式 */uint16_t SPI_DataSize; 		/* 设置 SPI 的数据帧长度，可选 8/16 位 */uint16_t SPI_CPOL; 			/* 设置时钟极性 CPOL，可选高/低电平 */uint16_t SPI_CPHA; 			/* 设置时钟相位，可选奇/偶数边沿采样 */uint16_t SPI_NSS; 			/* 设置 NSS 引脚由 SPI 硬件控制还是软件控制*/uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; 	/* 设置时钟分频因子， fpclk/分频数 =fSCK */uint16_t SPI_FirstBit; 				/* 设置 MSB/LSB 先行 */uint16_t SPI_CRCPolynomial; 		/* 设置 CRC 校验的表达式 */
}SPI_InitTypeDef;