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深入浅出SPI通信协议与STM32实战应用（W25Q128驱动）(理论部分)

article 2025/3/31 23:03:28

一、SPI通信协议：电子设备的高速对话术

SPI（Serial Peripheral Interface）是电子设备间常用的同步串行通信协议，凭借其高速、全双工的特点，广泛应用于存储器、传感器等外设的通信。

1.1 基础原理（四线制交互）

SCK‌：时钟信号线（主设备控制）
MOSI‌：主设备输出从设备输入‌
MISO‌：主设备输入从设备输出
CS‌：片选信号（低电平有效）

1.2 通信特点

主从模式：1个主机可控制多个从机
时钟同步：数据传输速率由主机决定
双工传输：可同时收发数据
模式配置：通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）组合成4种工作模式

1.3 工作原理

通俗版原理拆解：

角色分工

主机（如STM32）：掌控全局，负责生成时钟信号（SCK）和控制数据传输节奏
从机（如W25Q128）：被动响应，只在被主机选中时参与通信

数据传输过程（以发送0xA3为例）

Step1：主机拉低对应从机的CS引脚（点名呼叫）
Step2：主机通过SCK输出时钟信号（设定通信速度）
Step3：主机通过MOSI逐位发送数据（0b10100011）
Step4：从机通过MISO同时返回数据（全双工特性）
Step5：主机拉高CS结束通信

在这里插入图片描述
设备配合MOSI和MISO和接收缓冲区、发送缓冲区来进行完整的数据交换。当数据传输完成会触发TXE信号，由于传输和接收是同时进行的，也会接收到RXNE信号。这两个信号分别代表，发送缓冲区为空，和接收缓冲区为非空。此时，我们可以将接收缓冲区的数据读取出来，并继续往发送缓冲区传输数据。

工作模式

通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）组合成4种工作模式

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：SCK的第一（奇数）边沿进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存
1：SCK的第二（偶数）边沿进行数据位采样，数据在第二个时钟边沿被锁存

模式	CPOL	CPHA	数据采样时机
0	0（低电平初始）	0	SCK第一个边沿（上升沿）
1	0	1	SCK第二个边沿（下降沿）
2	1（高电平初始）	0	SCK第一个边沿（下降沿）
3	1	1	SCK第二个边沿（上升沿）

模式0时序图：
在这里插入图片描述
模式3时序图：

1.4 SPI寄存器

SPI控制寄存器1（SPI_CR1)(I²S模式下不使用)

在这里插入图片描述

位15 - BIDIMODE：双向数据模式使能 (Bidirectional data mode enable)

0：选择“双线双向”模式；
1：选择“单线双向”模式。

如果我们想使用半双工，则可以将这个位，置1。

位11 - DFF：数据帧格式 (Data frame format)

0：使用8位数据帧格式进行发送/接收；
1：使用16位数据帧格式进行发送/接收。
注：只有当SPI禁止(SPE=0)时，才能写该位，否则出错。

位9 - SSM：软件从设备管理 (Software slave management)

当SSM被置位时，NSS引脚上的电平由SSI位的值决定。
0：禁止软件从设备管理；
1：启用软件从设备管理。

当我们想自己指定一个GPIO口作为自选片选端口的时候，我们需要将这一位，置1

位7 - LSBFIRST：帧格式 (Frame format)

0：先发送MSB；
1：先发送LSB。
注：当通信在进行时不能改变该位的值。

用于我们选择传输数据时采用高位先行还是低位先行的模式。

位6 - SPE：SPI使能 (SPI enable)

0：禁止SPI设备；
1：开启SPI设备。

位5:3 - BR[2:0]：波特率控制 (Baud rate control)

000： fPCLK/2 001： fPCLK/4 010： fPCLK/8 011： fPCLK/16
100： fPCLK/32 101： fPCLK/64 110： fPCLK/128 111： fPCLK/256
当通信正在进行的时候，不能修改这些位。

用于分频的。

位2 - MSTR：主设备选择 (Master selection)

0：配置为从设备；
1：配置为主设备。

位1 - CPOL：时钟极性 (Clock polarity)

0：空闲状态时，SCK保持低电平；
1：空闲状态时，SCK保持高电平。

位0 - CPHA：时钟相位 (Clock phase)

0：数据采样从第一个时钟边沿开始；
1：数据采样从第二个时钟边沿开始。

SPI控制寄存器 2(SPI_CR2)

在这里插入图片描述

位7 - TXEIE：发送缓冲区空中断使能 (Tx buffer empty interrupt enable)

0：禁止TXE中断；
1：允许TXE中断，当TXE标志置位为’1’时产生中断请求。

位6 - RXNEIE：接收缓冲区非空中断使能 (RX buffer not empty interrupt enable)

0：禁止RXNE中断；
1：允许RXNE中断，当RXNE标志置位时产生中断请求。

SPI 状态寄存器(SPI_SR)

在这里插入图片描述

主要关注以下两位:

位1 - TXE：发送缓冲为空 (Transmit buffer empty)

0：发送缓冲非空；
1：发送缓冲为空。

位0 - RXNE：接收缓冲非空 (Receive buffer not empty)

0：接收缓冲为空；
1：接收缓冲非空。

SPI 数据寄存器(SPI_DR)

在这里插入图片描述

二、HAL库常用SPI函数

2.1. 初始化函数

HAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi);

配置SPI工作参数（模式、速率、数据宽度等）

2.2. 数据传输函数

// 阻塞式发送
HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

// 阻塞式接收
HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

// 同时收发
HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, 
                       uint16_t Size, uint32_t Timeout);