STM32 HAL库 STM32CubeMX -- SPI

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一、SPI 协议简介

SPI (Serial Peripheral Interface)协议，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。

它被广泛地使用在ADC、LCD 等设备与MCU 间，要求通讯速率较高的场合。

SPI 物理层

SPI 通讯使用3 条总线及片选线，3 条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为SS（CS），它们的作用介绍如下：

(1) SS( Slave Select)： 从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为NSS、CS，以下用NSS 表示。低电平表示选中

当有多个SPI 从设备与SPI 主机相连时，设备的其它信号线SCK、MOSI 及MIS O 同时并联到相同的SPI 总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3 条总线；
而每个从设备都有独立的这一条NSS 信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。

I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而SPI 协议中没有设备地址，它使用NSS 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS 信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行SPI 通讯。所以SPI 通讯以NSS 线置低电平为开始信号，以NSS 线被拉高作为结束信号。

(2) SCK (Serial Clock)： 时钟信号线，用于通讯数据同步。

它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，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。

(3) MOSI (Master Output，Slave Input)： 主设备输出/从设备输入引脚。

主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

(4) MISO(Master Input,，Slave Output)： 主设备输入/从设备输出引脚。

主机从这条信线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

SPI 协议层

SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

SPI 基本通讯过程

这是一个主机的通讯时序。

NSS、SCK、MOSI 信号都由主机控制产生，而MISO 的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与MISO 的信号只在NSS 为低电平的时候才有效，在SCK 的每个时钟周期MOSI 和MISO 传输一位数据。
以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

通讯的起始和停止信号 ：

标号（1）处，NSS 信号线由高变低，是SPI 通讯的起始信号。NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。
标号（6）处，NSS 信号由低变高，是SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

数据有效性：

SPI 使用MOSI 及MISO 信号线来传输数据，使用SCK 信号线进行数据同步。
MOSI 及MISO 数据线在SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用上图中的MSB 先行模式。

标号（3）处，MOSI 及MISO 的数据在SCK 的上升沿期间变化输出，在SCK 的下降沿时被采样。即在SCK 的下降沿时刻，MOSI 及MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI 及MISO 为下一次表示数据做准备。

SPI 每次数据传输可以8 位或16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

CPOL/CPHA 及通讯模式：

上面讲述的时序只是SPI 中的其中一种通讯模式，SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。

为方便说明，在此引入“时钟极性CPOL”和“时钟相位CPHA”的概念。
时钟极性CPOL 是指SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号(即SPI 通讯开始前、NSS 线为高电平时SCK 的状态)。

CPOL=0 时，SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。时钟相位CPHA 是指数据的采样的时刻，当CPHA=0 时，MOSI 或MISO 数据线上的信号将会在SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。

当CPHA=1 时，数据线在SCK 的“偶数边沿”采样。就是下图

由CPOL 及CPHA 的不同状态，SPI 分成了四种模式，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是 “模式0”与“模式3”

SPI	模式CPOL	CPHA	空闲时SCK 时钟	采样时刻
0	0	0	低电平	奇数边沿
1	0	1	低电平	偶数边沿
2	1	0	高电平	奇数边沿
3	1	1	高电平	偶数边沿

二、SPI 的架构

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f:sub:pclk1 为36MHz，fpclk2 为72MHz)，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。

通讯引脚

SPI 的所有硬件架构都从上图中左侧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。

引脚	SPI 编号
	SPI1	SPI2	SPI3
NSS	PA4	PB12	PA15 下载口的TDI
CLK	PA5	PB13	PB3 下载口的TDO
MISO	PA6	PB14	PB4下载口的NTRST
MOSI	PA7	PB15	PB5

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。

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，计算方法见下表。

BR[0:2]	分频结果(SCK 频率)	BR[0:2]	分频结果(SCK 频率)
000	f	pclk/2	100	f	pclk/32
001	f	pclk/4	101	f	pclk/64
010	f	pclk/8	110	f	pclk/128
011	f	pclk/16	111	f	pclk/256

其中的fpclk 频率是指SPI 所在的APB 总线频率，APB1 为fpclk1，APB2 为fpckl2。

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”把数据填充到发送缓冲区中，通讯读“数据寄存器DR”，可以获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。

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。

三、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。

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。

四、STM32Cube MX配置

Mode： 模式
Full-Duplex Master 主机全双工模式
Full-Duplex Slave 从机全双工模式
Half-Duplex Master 主机半双工模式
Half-Duplex Slave 从机半双工模式
Receive Only Master 只接收主机模式
Receive Only Slave 只接收从机模式
Transmit Only Master 只发送从机模式

Hardware NSS Signal ： 硬件NSS信号

可以选择这里的固定引脚使能，也可以使用其他IO口接到外设的NSS上进行代替；

其中SIP1的片选NSS ： SPI1_NSS（PA4）
其中SIP2的片选NSS ： SPI2_NSS（PB12）

如果片选引脚没有连接硬件NSS信号，则需要选择软件片选

NSS管脚就是片选信号，作为主设备NSS管脚为高电平，从设备NSS管脚为低电平。

当NSS管脚为低电平时，该SPI设备被选中，可以和主设备进行通信。

在STM32中，每个SPI控制器的NSS信号引脚都具有两种功能，即输入和输出。输入就是NSS管脚接收外界的信号。输出就是将NSS的信号发给外界。

对于NSS的输入，分为软件输入和硬件输入。
软件输入：
NSS分为内部管脚和外部管脚，通过设置spi_cr1寄存器的ssm位和ssi位都为1可以设置NSS管脚为软件输入模式且内部管脚提供的电平为高电平，其中SSM位为使能软件输入位。SSI位为设置内部管脚电平位。同理通过设置SSM和SSI位1和0则此时的NSS管脚为软件输入模式但内部管脚提供的电平为0。若从设备是一个其他的带有spi接口的芯片，并不能选择NSS管脚的方式，则可以有两种办法，一种是将NSS管脚直接接低电平。另一种就是通过主设备的任何一个gpio口去输出低电平选中从设备。
硬件输入：
主机接高电平，从机接低电平。

五、SPI HAL库函数

HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//发送数据
功能：HAL库 SPI发送数据函数
参数:
*hspi: 选择SPI1/2，比如&hspi1，&hspi2
*pData ： 需要发送的数据，可以为数组
Size： 发送数据的字节数，1 就是发送一个字节数据
Timeout： 超时时间，就是执行发送函数最长的时间，超过该时间自动退出发送函数

HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//接收数据
功能：SPI接收数据函数
参数:
*hspi: 选择SPI1/2，比如&hspi1，&hspi2
*pData ： 接收发送过来的数据的数组
Size： 接收数据的字节数，1 就是接收一个字节数据
Timeout： 超时时间，就是执行接收函数最长的时间，超过该时间自动退出接收函数

HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, TXbuf,RXbuf,CommSize);
当SPI上接收出现了 CommSize个字节的数据后，中断函数会调用SPI回调函数：

HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
用户可以重新定义回调函数，编写预定功能即可，在接收完成之后便会进入回调函数