STM32F407 SPI通信

1、SPI 介绍

        SPI（串行外设接口）是一种由摩托罗拉公司开发的同步串行通信协议，主要用于短距离、高速通信的场景（如芯片间通信）。其核心特点是主从架构、全双工通信和硬件简单，广泛应用于嵌入式系统中连接微控制器（MCU）与传感器、存储器（如 EEPROM Flash）、显示屏、实时时钟和网络控制器等外设。

        SPI 接口提供两个主要功能，支持 SPI 协议或 I2S 音频协议。默认情况下，选择的是 SPI 功能。可通过软件将接口从 SPI 切换到 I2S。

 1.1、SPI 协议的核心机制

        SPI 协议基于 4 根信号线实现通信：

1. SCLK（Serial Clock）：主设备生成的时钟信号，用于同步数据传输。
2. MOSI（Master Out Slave In）：主设备发送数据到从设备的信号线。
3. MISO（Master In Slave Out）：从设备发送数据到主设备的信号线。
4. SS/CS（Slave Select/Chip Select）：主设备通过拉低该信号线选择目标从设备（每个从设备独立一根 SS/CS 线）。

        下图即是 SPI 框图： 

1.2、通信过程 

1、主设备通过拉低对应从设备的 SS/CS 线激活通信。

2、主设备生成 SCLK 时钟信号。

3、数据通过 MOSI 和 MISO 线同时传输（全双工）：

• 主设备通过 MOSI 发送数据，从设备通过 MISO 返回数据。
• 每个时钟周期传输 1 位数据（MSB 或 LSB 优先，由设备配置决定）。

4、传输完成后，主设备拉高 SS/CS 线结束通信。

        主机和从机都有一个移位寄存器，主机移位寄存器数据经过 MOSI 将数据写入从机的移位寄存器，此时从机移位寄存器的数据也通过 MISO 传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换。无论主机还是从机，发送和接收都是同时进行的，如同一个“环”。

        如果主机只对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主机要读取从机数据，需要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。

1.3、SPI 的四种工作模式

        SPI 模式由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)的组合定义，决定数据采样时机：

模式	CPOL	CPHA	空闲时SCLK电平	数据采样时机	数据锁存时机
0	0	0	低电平	SCLK的上升沿(第1个边沿)	SCLK的下降沿(第2个边沿)
1	0	1	低电平	SCLK的下降沿(第2个边沿)	SCLK的上升沿(第1个边沿)
2	1	0	高电平	SCLK的下降沿(第1个边沿)	SCLK的上升沿(第2个边沿)
3	1	1	高电平	SCLK的上升沿(第2个边沿)	SCLK的下降沿(第1个边沿)

        关键参数解释：

1、CPOL（Clock Polarity）:

• 0：SCLK 空闲时为低电平。
• 1：SCLK 空闲时为高电平。

2、CPHA（Clock Phase）：

• 0：在第一个边沿（上升或下降）采样数据。
• 1：在第二个边沿（上升或下降）采样数据。 

1.3.1、模式 0 (CPOL=0 & CPHA=0)

        下图即是 SPI 模式 0 的时序图：

         由于配置了 CPOL = 0，可以看到当数据未发送或者发送完毕， SCL 的状态是低电平，再者 CPHA = 0 即是奇数边沿采集。所以传输的数据会在奇数边沿上升沿被采集， MOSI 和 MISO 数据的有效信号需要在 SCK 奇数边沿保持稳定且被采样，在非采样时刻， MOSI和 MISO 的有效信号才发生变化。

1.3.2、模式 1 (CPOL=0 & CPHA=1)

        下图即是 SPI 模式 1 的时序图：

         由于 CPOL = 0，所以 SCL 的空闲状态依然是低电平， CPHA = 1 数据就从偶数边沿采样，也就是下降沿。此处需要明确这里是偶数边沿采样，那么从时序图可以清楚地知道 SCL 低电平空闲状态下，上升沿是在奇数边沿上，下降沿是在偶数边沿上。

1.3.3、 模式 2 (CPOL=1 & CPHA=0)

        下图即是 SPI 模式 2 的时序图：

        这里是 CPOL = 1，即 SCL 空闲状态为高电平，在 CPHA = 0，奇数边沿采样的情况下，数据在奇数边沿下降沿要保持稳定并等待采样。

1.3.4、模式 3  (CPOL=1 & CPHA=1)

        下图即是 SPI 模式 3 的时序图：

         从时序图可以看到未发送数据和发送数据完毕，SCL 的状态是高电平，奇数边沿的边沿极性是上升沿，偶数边沿的边沿极性是下降沿。因为 CPHA = 1,所以数据在偶数边沿上升沿被采样。在奇数边沿的时候 MOSI 和 MISO 会发生变化，在偶数边沿时候是稳定的。

2、SPI 配置

2.1、 GPIO 初始化

        首先是需要定义引脚，及控制 SCK 引脚的高低电平宏定义、片选线 CS 的高低电平宏定义：

/* SPI 引脚定义 */
#define SPI_SCK_PIN			GPIO_Pin_5
#define SPI_MISO_PIN		GPIO_Pin_6
#define SPI_MOSI_PIN		GPIO_Pin_7
#define SPI_PORT			GPIOA

#define W25Q128_CS_PIN		GPIO_Pin_13
#define W25Q128_CS_PORT