STM32 的 SPI 特性及架构

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(STM32F103 型号的芯片默认 fpclk1为 72MHz， fpclk2为 36MHz)，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。它还支持双线全双工、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用 MOSI 及 MISO 数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。

STM32 的 SPI 架构剖析

1. 通讯引脚

SPI 的所有硬件架构都从图 25-5 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。

其中 SPI1 是 APB2 上的设备，最高通信速率达 36Mbtis/s， SPI2、 SPI3 是 APB1 上的设备，最高通信速率为 18Mbits/s。除了通讯速率， 在其它功能上没有差异。其中 SPI3 用到了下载接口的引脚，这几个引脚默认功能是下载，第二功能才是 IO 口，如果想使用 SPI3接口，则程序上必须先禁用掉这几个 IO 口的下载功能。一般在资源不是十分紧张的情况下，这几个 IO 口是专门用于下载和调试程序，不会复用为 SPI3。

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

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。

3. 数据控制逻辑

SPI 的 MOSI 及 MISO 都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标接收、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 F 缓冲区中，通讯读“数据寄存器 DR”，取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器 CR1”的“DFF 位”配置成 8 位及 16 位模式；配置“LSBFIRST 位”可选择 MSB 先行还是 LSB 先行。

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)”，我们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，我们一般不使用 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。

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，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
图 25-6 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(图中没有画出)；
(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。假如我们使能了 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。