细说STM32F407单片机SPI基础知识

目录

一、 SPI接口和通信协议

1、 SPI硬件接口

（1）MOSI(Master Output Slave Input)

（2）MISO(Master Input Slave Output)

（3）SCK

2、SPI传输协议

（1）CPHA=0时的数据传输时序

（2）CPHA=1时的数据传输时序

3、STM32F407的SPI接口

二、SPI的HAL驱动程序

1、SPI寄存器操作的宏函数

2、SPI初始化和阻塞式数据传输

（1）SPI接口初始化

（2）阻塞式数据发送和接收

3、阻塞式同时发送与接收数据 

4、中断方式数据传输

5、 DMA方式数据传输

        串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)是一种传输速率比较高的串行接口，一些ADC芯片、Flash存储器芯片采用SPI接口，MCU通过SPI接口与这些外围器件通信。

        以STM32F407ZGT6为例，细说其SPI基础知识。 

一、 SPI接口和通信协议

1、 SPI硬件接口

        SPI接口的设备分为主设备(Master)和从设备(Slave)，一个主设备可以连接一个或多个从设备。SPI的主设备可称为主机，从设备也可称为从机。

        SPI接口有3个基本信号，功能描述如下。

（1）MOSI(Master Output Slave Input)

        主设备输出/从设备输入信号，从设备上该信号一般简写为SI。MOSI主设备的串行数据输出，SI是从设备的串行数据输入，主设备和从设备的这两个信号连接。

（2）MISO(Master Input Slave Output)

        主设备输入/从设备输出信号，从设备上该信号一般简写为SO。MISO主设备的串行数据输入，SO是从设备的串行数据输出，主设备和从设备的这两个信号连接。

（3）SCK

        串行时钟信号。时钟信号总是由主设备产生。

        除了这3个必需的信号，从设备还有一个从设备选择信号SS(Slave Select)，这个就是从备的片选信号，低电平有效，所以一般写为NSS。当一个SPI通信网络里有多个SPI从设备时主设备通过控制各个从设备的NSS信号来保证同一时刻只有一个SPI从设备在线通言，未被选中的SPI从设备的接口引脚是高阻状态。SPI主设备可以使用普通的GPIO输出引脚接从设备的NSS引脚，控制从设备的片选信号。

2、SPI传输协议

        SPI数据传输是在时钟信号SCK驱动下的串行数据传输，SPI的传输协议定义了SPI通信起始信号、结束信号、数据有效性、时钟同步等环节。SPI每次传输的数据帧长度是8位或16位，一般是最高有效位(Most Significant Bit，MSB)先行。

        SPI通信有4种时序模式，由SPI控制寄存器SPI_CR1中的CPOL位和CPHA位控制。

SPI时序模式

CPOL时钟极性

CPHA时钟相位

空闲时SCK电平

采样时刻

模式0

0

0

低电平

第1跳变沿

模式1

0

1

低电平

第2跳变沿

模式2

1

0

高电平

第1跳变沿

模式3

1

1

高电平

第2跳变沿

  • CPOL(Clock Polarity)时钟极性，控制SCK引脚在空闲状态时的电平。如果CPOL=0，则空闲时SCK为低电平；如果CPOL=1，则空闲时SCK为高电平。
  • CPHA(Clock Phase)时钟相位。如果CPHA=0，则在SCK的第1个边沿对数据采样；如果CPHA=1，则在SCK的第2个边沿对数据采样。

（1）CPHA=0时的数据传输时序

        NSS从高变低是数据传输的起始信号，NSS从低变高是数据传输的结束信号，图中是MSB先行的方式。

​​​​​​​

        CPHA=0表示在SCK的第1个边沿读取数据，读取数据的时刻(捕获选通时刻)就是图中虚线表示的时刻。根据CPOL的取值不同，读取数据的时刻发生在SCK的下跳沿(CPOL=1)时刻或上跳沿(CPOL=0)时刻。MISO、MOSI上的数据是在读取数据的SCK前一个跳变沿时刻发生变化的。

（2）CPHA=1时的数据传输时序

        CPHA=1表示在SCK的第2个边沿读取数据，也就是图中的虚线表示的时刻。根据CPOL的取值不同，读取数据的时刻发生在SCK上跳沿(CPOL=1)时刻或下跳沿(CPOL=0)时刻。MISO、MOSI上的数据是在读取数据的SCK前一个跳变沿时刻发生变化的。 

        在使用SPI接口通信时，主设备和从设备的SPI时序一定要一致，否则无法正常通信。由CPOL和CPHA的不同组合构成了4种SPI时序模式，如果使用硬件SPI接口，只需设置正确的SPI时序模式，底层的通信时序由SPI硬件处理。有时候需要用普通GPIO引脚模拟SPI接口，这称为软件模拟SPI接口。软件模拟SPI接口需要控制GPIO引脚的输入和输出来模拟SPI的通信时序。

3、STM32F407的SPI接口

        STM32F407ZGT6芯片上有3个硬件SPI接口，其中SPI2和SPI3还可工作于I2S模式。

  • 数据帧长度可选择8位或16位。
  • 可设置为主模式或从模式。
  • 可设置8种预分频器值用于产生通信波特率，波特率最高为f_{PCLK}^{}/2，其中f_{PCLK}^{}是SPI所在APB总线的频率。SPI1在APB2总线上，SPI2和SPI3在APB1总线上。
  • 可设置时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)，也就是4种SPI时序模式都支持。
  • 可设置MSB先行或LSB先行。
  • 可以使用硬件CRC校验。
  • 可触发中断的主模式故障、上溢和CRC错误标志。
  • 发送和接收具有独立的DMA请求，DMA传输具有1字节发送和接收缓冲区。MCU的SPI接口实现了SPI硬件层通信协议，也就是保证数据帧的正确接收和发送，如同UART接口实现底层数据帧的收发一样。SPI主设备和从设备之间具体的通信内容则需要两者之间规定通信协议，如同串口设备之间的通信协议一样。

二、SPI的HAL驱动程序

1、SPI寄存器操作的宏函数

        SPI的驱动程序头文件是stm32f4xx_hal_spi.h。SPI寄存器操作的宏函数如表所示。宏函数中的参数__HANDLE__是具体某个SPI接口的对象指针，参数__INTERRUPT__是SPI的中断事件类型，参数__FLAG__是事件中断标志。

宏函数

功能描述

__HAL_SPI_DISABLE(__HANDLE__)

禁用某个SPI接口

__HAL_SPI_ENABLE(__HANDLE__)

启用某个SPI接口

__HAL_SPI_DISABLE_IT(__HANDLE__,__INTERRUPT__)

禁止某个中断事件源，不允许事件产生硬件中断

__HAL_SPI_ENABLE_IT(__HANDLE__,__INTERRUPT__)

开启某个中断事件源，允许事件产生硬件中断

__HAL_SPI_GET_IT_SOURCE(__HANDLE__,__INTERRUPT__)

检查某个中断事件源是否被允许产生硬件中断

__HAL_SPI_GET_FLAG(__HANDLE__,__FLAG__)

获取某个事件的中断标志，检查事件是否发生

__HAL_SPI_CLEAR_CRCERRFLAG(__HANDLE__)

清除CRC校验错误中断标志

__HAL_SPI_CLEAR_FREFLAG(__HANDLE__)

清除TI帧格式错误中断标志

__HAL_SPI_CLEAR_MODFFLAG(__HANDLE__)

清除主模式故障中断标志

__HAL_SPI_CLEAR_OVRFLAG(__HANDLE__)

清除溢出错误中断标志

        STM32 CubeIDE自动生成的文件spi.c会定义表示具体SPI接口的外设对象变量。例如，使用SPI1时，会定义如下的外设对象变量hspi1，宏函数中的参数__HANDLE__就可以使用&hspi1。 

SPI_HandleTypeDef hspil;	//表示SPI1的外设对象变量

        一个SPI接口只有1个中断号，有6个中断事件，但是只有3个中断使能控制位。SPI状态寄存器SPI_SR中有6个事件的中断标志位，SPI控制寄存器SPI_CR2中有3个中断事件使能控制位，其中1个错误事件中断使能控制位ERRIE控制了4种错误中断事件的使能。SPI的中断事件和宏定义如表。这是比较特殊的一种情况，对于一般的外设，1个中断事件就有1个使能控制位和1个中断标志位。

        在SPI的HAL驱动程序中，定义了6个表示事件中断标志位的宏，可作为宏函数中参数__FLAG__的取值；定义了3个表示中断事件类型的宏，可作为宏函数中参数__INTERRUPT__的取值。

中断事件

SPI状态寄存器
SPI_SR中的中
断标志位

表示事件中断
标志位的宏

SPI控制寄存器
SPI_CR2中的中断
事件使能控制位

表示中断事件使
能位的宏(用于表
示中断事件类型)

发送缓冲区为空

TXE

SPI_FLAG_TXE

TXEIE

SPI_IT_TXE

接收缓冲区非空

RXNE

SPI_FLAG_RXNE

EXNEIE

SPI_IT_RXNE

主模式故障

MODF

SPI_FLAG_MODF

ERRIE

SPI_IT_ERR

溢出错误

OVR

SPI_FLAG_OVR

CRC校验错误

CRCERR

SPI_FLAG_CRCERR

TI帧格式错误

FRE

SPI_FLAG_FRE

2、SPI初始化和阻塞式数据传输

        SPI接口初始化、状态查询和阻塞式数据传输的函数。

函数名

功能描述

HAL_SPI_Init()

SPI初始化，配置SPI接口参数

HAL_SPI_MspInit()

SPI的MSP初始化函数，重新实现时一般用于SPI接口引脚GPIO
初始化和中断设置

HAL_SPI_GetState()

返回SPI接口当前状态，返回值是枚举类型HAL_SPI_StateTypeDef

HAL_SPI_GetError()

返回SPI接口最后的错误码，错误码有一组宏定义

HAL_SPI_Transmit()

塞式发送一个缓冲区的数据

HAL_SPI_Receive()

阻塞式接收指定长度的数据保存到缓冲区

HAL_SPI_TransmitReceive()

阻塞式同时发送和接收一定长度的数据

（1）SPI接口初始化

        函数HAL_SPI_Init()用于具体某个SPI接口的初始化，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi)

        其中，参数hspi是SPI外设对象指针。hspi->Init是SPIInitTypeDef结构体类型，存储了SPI接口的通信参数。这两个结构体主要成员变量的意义在示例里结合代码具体解释。

（2）阻塞式数据发送和接收

        SPI是一种主/从通信方式，通信完全由SPI主机控制，因为SPI主机控制了时钟信号SCK。SPI主机和从机之间一般是应答式通信，主机先用函数HAL_SPI_Transmit()在MOSI线上发送指令或数据，忽略MISO线上传入的数据；从机接收指令或数据后会返回响应数据，主机通过函数HAL_SPI_Receive()在MISO线上接收响应数据，接收时不会在MOSI线上发送有效数据。函数HAL_SPI_Transmit()用于发送数据，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pData,uint16_t Size,uint32_t Timeout);

        其中，参数hspi是SPI外设对象指针；pData是输出数据缓冲区指针；Size是缓冲区数据的字节数；Timeout是超时等待时间，单位是系统嘀嗒信号节拍数，默认情况下就是ms。

        函数HAL_SPI_Transmit()是阻塞式执行的，也就直到数据发送完成或超过等待时间后才返回。函数返回HAL_OK表示发送成功，返回HAL_TIMEOUT表示发送超时。

        函数HAL_SPI_Receive()用于从SPI接口接收数据，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pData,uint16_t Size,uint32_t Timeout);

        其中，参数pData是接收数据缓冲区，Size是要接收的数据字节数，Timeout是超时等待时间。

3、阻塞式同时发送与接收数据 

        虽然SPI通信一般采用应答式，MISO和MOSI两根线不同时传输有效数据，但是在原理上，它们是可以在SCK时钟信号作用下同时传输有效数据的。函数HAL_SPI_TransmitReceive()就实现了接收和发送同时操作的功能，其原型定义如下：

HALStatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pTxData,uint8_t *pRxData,uint16_t Size,uint32_t Timeout)

        其中，pTxData是发送数据缓冲区，pRxData是接收数据缓冲区，Size是数据字节数，Timeout是超时等待时间。这种情况下，发送和接收到的数据字节数是相同的。

4、中断方式数据传输

        SPI接口能以中断方式传输数据，是非阻塞式数据传输。中断方式数据传输的相关函数、产生的中断事件类型、对应的回调函数等如表所示。中断事件类型用中断事件使能控制位的宏定义表示。

函数名

函数功能

产生的中断
事件类型

对应的回调函数

HAL_SPI_Transmit_IT()

中断方式发送一个缓冲区的数据

SPI_IT_TXE

HAL_SPI_TxCpltCallback()

HAL_SPI_Receive_IT()

中断方式接收指定长度的数据保存到缓冲区

SPI_IT_RXNE

HAL_SPI_RxCpltCallback()

HAL_SPI_TransmitReceive_IT()

中断方式发送和接收一定长度的数据

SPI_IT_TXE和
SPI_IT_RXNE

HAL_SPI_TxRxCpltCallback()

前3个中断方式传输函数

前3个中断模式传输函数都可能产生SPI_IT_ERR中断事件

SPI_IT_ERR

HAL_SPI_ErrorCallback()

HAL_SPI_IRQHandler()

SPI中断ISR里调用的通用处理函数

——

——

HAL_SPI_Abort()

取消非阻塞式数据传输，本函数以阻塞模式运行

——

——

HAL_SPI_Abort_IT()

取消非阻塞式数据传输，本函数以中断模式运行

——

HAL_SPI_AbortCpltCallback()

        函数HAL_SPI_Transmit_IT()用于发送一个缓冲区的数据，发送完成后，会产生发送完成中断事件(SPI_IT_TXE)，对应的回调函数是HAL_SPI_TxCpltCallback()。

        函数HAL_SPI_Receive_IT()用于接收指定长度的数据保存到缓冲区，接收完成后，会产生接收完成中断事件(SPI_IT_RXNE)，对应的回调函数是HAL_SPI_RxCpltCallback()。

        函数HAL_SPI_TransmitReceive_IT()是发送和接收同时进行，由它启动的数据传输会产生SPI_IT_TXE和SPI_IT_RXNE中断事件，但是有专门的回调函数HAL_SPI_TxRxCpltCallback()。

        上述3个函数的原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pData,uint16_t Size);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pData,uint16_t Size);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pTxData,uint8_t *pRxData,uint16_t Size);

        这3个函数都是非阻塞式的，函数返回HAL_OK只是表示函数操作成功，并不表示数据传输完成，只有相应的回调函数被调用才表明数据传输完成。

        函数HAL_SPI_IRQHandler()是SPI中断ISR里调用的通用处理函数，它会根据中断事件类型调用相应的回调函数。在SPI的HAL驱动程序中，回调函数是用SPI外设对象变量的函数指针重定向的，在启动传输的函数里，为回调函数指针赋值，用户使用时只需知道表中的对应关系即可。

        函数HAL_SPI_Abort()用于取消非阻塞式数据传输过程，包括中断方式和DMA方式，这个函数自身以阻塞模式运行。

        函数HAL_SPI_Abort_IT()用于取消非阻塞式数据传输过程，包括中断方式和DMA方式，这个函数自身以中断模式运行，所以有回调函数HAL_SPI_AbortCpltCallback()。

5、 DMA方式数据传输

        SPI的发送和接收有各自的DMA请求，能以DMA方式进行数据发送和接收。DMA方式传输时触发DMA流的中断事件，主要是DMA传输完成中断事件。SPI的DMA方式数据传输的相关函数如表所示。

DMA方式功能函数

函数功能

DMA流中断事件

 对应的回调函数

HAL_SPI_Transmit_DMA()

DMA方式发送数据

DMA传输完成

HAL_SPI_TxCpltCallback()

DMA传输半完成

HAL_SPI_TxHalfCpltCallback()

HAL_SPI_Receive_DMA()

DMA方式接收数据

DMA传输完成

HAI_SPI_RxCpltCallback()

DMA传输半完成

HAL_SPI_RxHalfCpltCallback()

HAL_SPI_TransmitReceive_DMA()

DMA方式发送/接收数据

DMA传输完成

HAL_SPI_TxRxCpltCallback()

DMA传输半完成

HAL_SPI_ TxRxHalfCpltCallback()

前3个DMA方式传输函数

DMA传输错误中断事件

DMA传输错误

HAL_SPI_ErrorCallback()

HAL_SPI_DMAPause()

暂停DMA传输

——

——

HAL_SPI_DMAResume()

继续DMA传输

——

——

HAL_SPI_DMAStop()

停止DMA传输

——

——

        启动DMA方式发送和接收数据的两个函数的原型分别定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pData,uint16_t Size);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pData,uint16_t Size);

        其中，hspi是SPI外设对象指针，pData是用于DMA数据发送或接收的数据缓冲区指针，Size是缓冲区的大小。因为SPI接口传输的基本数据单位是字节，所以缓冲区元素类型是uint8_t，缓冲区大小的单位是字节。另一个同时接收和发送数据的函数的原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi,uint8_t *pTxData,uint8_t *pRxData,uint16_t Size);

        其中，pTxData是发送数据的缓冲区指针，pRxData是接收数据的缓冲区指针，两个缓冲区大小相同，长度都是Size。

        DMA传输是非阻塞式传输，函数返回HAL_OK只表示操作成功，需要触发相应的回调函数才表示数据传输完成。另外，还有3个控制DMA传输过程暂停、继续、停止的函数，其原型定义如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAPause(SPI_HandleTypeDef *hspi);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAResume(SPI_HandleTypeDef *hspi);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAStop(SPI_HandleTypeDef *hspi);

        其中，参数hspi是SPI外设对象指针。这3个函数都是阻塞式运行的。

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