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stm32 HAI库 SPI（一）原理

news 来源：原创 2025/7/20 10:54:33

基本特点

通信方式：同步、串行（串行、并行、并发，别再傻傻分不清了！_串行和并行的区别-CSDN博客）、全双工（也可以选择半双工）
速率：50MHZ以下
数据格式：8位/16位
传输顺序：MSB先行/LSB先行

通信

spi通信需要四个引脚，MOSI MISO SCK NSS。

MOSI： master output slave input 主设备数据输出从设备数据接收
MISO：master input slave output
SCK：时钟线只有主设备能控制。不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为 fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备
NSS（CS）：片选不同的从设备可选择硬件NSS和软件NSS

一对一：

一对多：

SCK

时钟线空闲电平取决于工作模式的设置（见后）

NSS

原理：NSS保持高电平，如果想发起通信，主设备就去拉低对应从机的NSS信号线使能从机开始与其通信（即MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效）

NSS可以选择是硬件模式还是软件模式，硬件模式就是一个固定的引脚作为NSS，直接与外界从设备的GPIO口相连，软件自选管脚

NSS模式的选择是由SPI_CR1寄存器中的ssm位和SPI_CR2寄存器中的SSOE位控制的。

区分一下NSS和CS

虽然大概上说这两者差不多（或者可以直接看做相同）但还是有些微妙的差别。
NSS指的是芯片硬件上的那个真实存在的片选管脚,而CS虽然也起到片选从机的作用但是它主要是强调主从之间实际连接的那个片选线，用软件手动控制。

具体的通信过程

主机首先拉低对应从机的NSS信号线，表示与该设备进行通信。
然后主机发送SCLK时钟信号，通知从机读/写数据。（SCLK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，见【spi四种工作模式】）
主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

Warning

SPI没有严格意义上的读写操作只有发送和接收而且无论是对主还是从设备发送和接收都是一起进行的。
以主设备为例主设备移位寄存器一位位把数据传到MOSI信号线上同时 MISO信号线上的数据也被一位位移进数据移位寄存器然后再传给缓冲区这样
所以无论是主还是从设备发送（接收）一个字节必须同时接收（发送）一个字节
如果是要主设备只输出就得忽略掉从设备发送的字节。同理主设备只接收从设备就得忽略掉主设备发送的字节

（不过这个知道就好 hal库函数已经配备好了如果不是自己写软件SPI的话其实不用考虑）

四种工作模式

SPI的工作模式由CPOL（时钟极性）和CPHA（相位）控制。
CPOL=0：低电平空闲高电平读取 =1：高电平空闲
CPHA=0：第一个沿采样 =1：第二个沿采样

模式	CPOL	CPHA	说明
0	0	0	高电平的上升沿读取
1	0	1	高电平的下降沿读取
2	1	0	低电平的下降沿读取
3	1	1	低电平的上升沿读取

这四种工作模式的选择不是自己喜欢哪个选哪个而是要根据从设备的数据帧规格设定。

STM32 SPI硬件架构

几个相关的寄存器：

控制寄存器：SPI_CR1 和SPI_CR2。控制整个SPI模块的工作状态
- SPI_CR1：
  - CPHA：时钟相位，0：第一个边沿采样 1：第二个边沿
  - CPOL：时钟极性（0: 空闲时为低电平；1: 空闲时为高电平）
  - MSTR：主从选择（1：主机）
  - BR[2:0]：波特率设置，控制 SCK 的分频
  - SPE：使能SPI
  - SSM：软件NSS管理。SSM=1，软件NSS。此时是否选中从机由下面的SSI位决定^^
  - SSI:在SSM=1时有效。SSI=1，相当于软件拉高MSS，如果设置为0相当于拉低NSS（开始通信）
  - LSBFIRST：是否小端传输
  - SSI/SSM：软件控制 NSS（用于不连接外部 NSS）
  - RXONLY：接收模式（1 = 仅接收也就是半双工，只有MISO能使用）（0：全双工
  - DFF：数据帧格式（0: 8bit，1: 16bit）
  - CRCEN：CRC 校验使能
  - BIDIMODE ：=0：全双工；=1：单线模式，只能使用MOSI来进行双向传输
  - BIDIOE：仅在BIDIMODE=1时有效。=1：单线处于主机发送模式；=0：单线处于从机接收模式
- SPI_CR2：
  - TXEIE ：开启后当TXE=1（发送缓冲区为空）时触发中断让cpu发数据
  - RXNEIE：开启后当RXNE=1（接收缓冲区费控）时触发中断让cpu读数据
  - ERRIE：错误中断使能
  - SSOE：硬件 NSS 输出使能（主机自动控制 NSS）
  - TXDMAEN / RXDMAEN：发送/接收 DMA 使能
状态寄存器SPI_SR
- RXNE：接收缓冲区非空（表示可以读取）（rx no empty）
- TXE：发送缓冲区空（表示可以写入）
- BSY：忙标志位（1 = 正在通信）
- OVR：溢出错误（接收缓冲未读取就新数据来了
- MODF：模式错误（如主从冲突）
- CRCERR：CRC错误
数据移位寄存器/串并转换器shift register：把数据一位位的移入/移出实现数据串行和并行之间的转换
tx buffer：发送缓冲区，由 CPU 或 DMA 写入数据。
rx buffer：接收缓冲区，接收到的数据存放在这里，等待 CPU 或 DMA 读取。
Baud Rate Generator（波特率发生器）：控制 SCK（串行时钟）的频率，由 CR1 寄存器中的 BR[2:0] 决定，通过分频选择 SPI 的时钟速度。
Master Control Logic（主控逻辑）,由 CR1 中的 MSTR、SPE 控制。MSTR：选择主/从设备（1 = 主机，0 = 从机）。SPE：SPI 使能。

再解释一下软件NSS

硬件NSS下内部是直接根据NSS引脚上的电平来进行状态判断的。
软件NSS下因为不知道你选的是哪个GPIO口所以不能直接去读对应引脚的电平了内部就只能通过SPICR1寄存器里的ssi位来模拟NSS线上的电平变化。这部分是要你自己写的。

硬件SPI和软件模拟SPI

硬件

硬件spi就是打开cubemx上的spi配置，自带CRC校验（可选）和DMA（可选）。

先使能spi

模式这里选择的是全双工右边自动亮起三个固定引脚对应SCK MISO MOSI，NSS默认不显示（即使用软件NSS）

如果打开硬件NSS（可以选择NSS是输入还是输出主设备的话就是NSS输出从设备的话就是NSS输入，无论输出还是输入NSS都是用那一个引脚）。
如果坚持使用软件NSS，就在右边随便选一个引脚设置为GPIO_OUTPUT.

3.参数设置（参数设置我瞎选的不用跟着我来要跟着从机）

frame format帧格式。可以选择motoroia和TI两种。
- 选TI会变成这样
  
  摩托罗拉比TI多一个时钟极性和相位的选择还有first bit。
  一般默认使用摩托罗拉。（TI模式蛮麻烦的我没仔细看但是应用上其实会简单点因为少了挺多配置）
data size：SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输多少个单位无限制。
first bit：选择字节序。MSB或者LSB都可以跟着从设备选
MSB和LSB
prescaler：通过配置它使波特率适配从机
baud rate ：线上的波特率是根据你的时钟配置和 prescaler的选择自动计算得到跟着从机走
CPOL：时钟极性设置0或1
CPHA：相位。
CRC calculation：crc校验是否开启
- 开启它后会出现一个CRC Polynomial 默认即可
CRC校验
nss signal typedef：自动跟着之前的配置

具体使用见:
硬件SPI的HAL库函数调用

软件模拟

就是自己在keil5里写代码选4个引脚分别代表SCK MOSI MISO NSS，写对应的发送/接收/时钟拉高/拉低/数据读取等等操作。
软件比起硬件SPI大概只有一个自选引脚的优点其他全是缺点（特别是时序上需要非常精确）so不建议用。
而且软件SPI没法用DMA，数据一多读起来很占用CPU。

SPI使用过程中的一些注意

主从设备的MOSI和MOSI是对应相连而不是交叉相连（be like MOSI——MISO）
主机在SPI初始化后必须先拉低从机的NSS再发送（因为SPI一enable马上就会输出时钟脉冲……）否则很容易会丢数据，发送完成后需要等待BSY标志位为0才能把NSS拉高
硬件NSS的话hal库函数里是能实现第二条的但是没有BSY==0后再升高NSS的逻辑 so如果是一些时序严格的设备就不要用硬件NSS了……自己写吧
软件NSS不仅自己拉高/拉低NSS要自己写 SPI_CR1寄存器中SSI位的1or0判断也要自己写

参考：
【STM32 HAL库SPI/QSPI协议学习，基于外部Flash读取】_stm32 hal qspi-CSDN博客
SPI中NSS/CS使用和SPI常见问题_spi cs-CSDN博客
【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程十四---SPI-CSDN博客
STM32F405/415, STM32F407/417, STM32F427/437 and STM32F429/439 advanced Arm®-based 32-bit MCUs - Reference manual

stm32 HAI库 SPI（一）原理

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