细说STM32F407单片机SPI基础知识

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。

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| 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/2，其中是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。

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| 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。

cpp 复制代码

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。

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| 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 | ERRIE | SPI_IT_ERR |
| CRC校验错误 | CRCERR | SPI_FLAG_CRCERR | ERRIE | SPI_IT_ERR |
| TI帧格式错误 | FRE | SPI_FLAG_FRE | ERRIE | SPI_IT_ERR |

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。

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| 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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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。

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| 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：

cpp 复制代码

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。

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| 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() |
| HAL_SPI_Transmit_DMA() | DMA方式发送数据 | 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() |
| HAL_SPI_Receive_DMA() | DMA方式接收数据 | 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() |
| HAL_SPI_TransmitReceive_DMA () | DMA方式发送/接收数据 | 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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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。