什么是SPI协议？

对于嵌入式开发来说，SPI 协议（Serial Peripheral Interface，串行外设接口） 是最常用的同步串行通信协议之一，核心用于单片机（如 STM32）与外设（传感器、存储芯片、显示屏等）的高速数据传输，特点是简单、高速、全双工，非常适合嵌入式场景的实践应用。

一、先搞懂：SPI 协议到底是干什么的？

可以把 SPI 理解为「单片机与外设之间的高速 "专线"」：

五、SPI 的优缺点（嵌入式场景选择依据）

优点：

缺点：

六、嵌入式实践：STM32 的 SPI 编程核心步骤（C 语言）

以 STM32F103 为例，用标准库函数实现 SPI 通信的核心步骤（简化版，聚焦实操）：

七、常见应用场景

总结

SPI 协议的核心是「同步时钟 + 全双工传输」，记住 3 个关键点：

• 场景：比如 STM32 要读取温湿度传感器数据、控制 OLED 显示屏显示、往 Flash 芯片存数据，都可以用 SPI。
• 核心优势：
• 1、同步通信：有专门的时钟线（CLK）同步数据，传输速度比 I2C 快（通常可达几 MHz~ 几十 MHz）；
• 2、全双工：通信时双方可以同时发数据和收数据（比如 STM32 给外设发指令的同时，外设给 STM32 回数据）；
• 3、简单可靠：信号线少、协议逻辑简单，不易出错，适合近距离通信（板内或板间短距离）。

二、SPI 的核心组成：4 根信号线

• SPI 是「主从架构」（一个主机 + 多个从机），主机通常是单片机（如 STM32），从机是外设（传感器、Flash 等），核心信号线共 4 根（部分场景可省略 1 根）：

  信号线名称	作用（通俗解释）	主机 / 从机方向
  SCK（Serial Clock）	时钟线：主机发时钟信号，同步数据传输（相当于 "节拍器"）	主机→从机
  MOSI（Master Out Slave In）	主机输出 / 从机输入：主机给从机发数据的线	主机→从机
  MISO（Master In Slave Out）	主机输入 / 从机输出：从机给主机回数据的线	从机→主机
  SS（Slave Select）	从机选择线：主机通过拉低某从机的 SS 线，选中该从机（多从机时必须有）	主机→从机

  注意：

  1. 单从机时，SS 线可直接拉低（不用主机控制），但多从机时必须给每个从机分配独立的 SS 线（比如 STM32 的 PA0、PA1 分别接两个从机的 SS）；
  2. 部分文档会把 SS 叫做 CS（Chip Select），意思完全一样。

  三、SPI 的通信过程：像 "同步传球" 一样简单

  核心逻辑：时钟线（SCK）控制节奏，MOSI 和 MISO 线同时传数据，步骤如下（以 STM32 为主机、传感器为从机为例）：

• 主机选中从机：拉低该从机的 SS 线（告诉 "目标外设"：准备和你通信了）；

• 主机发时钟信号：通过 SCK 线输出固定频率的时钟脉冲（比如 1MHz）；

• 同步传输数据：

  • 主机在 SCK 的 "上升沿" 或 "下降沿"（可配置），通过 MOSI 线发送 1 位数据；
  • 同时，从机在同一个时钟沿，通过 MISO 线给主机回 1 位数据；
  • 时钟脉冲持续 8 次（默认 1 字节 = 8 位），就完成 1 个字节的全双工传输；

• 通信结束：主机拉高 SS 线，释放从机。

• 举个实际例子：STM32 通过 SPI 读取传感器数据

  • 主机（STM32）通过 MOSI 发 "读取数据" 指令（比如 0x03）；
  • 同时，从机（传感器）通过 MISO 回数据（比如温湿度值的二进制）；
  • 时钟走 8 次，指令发完，数据也收完，一次通信完成。

  四、SPI 的关键配置参数

  在 STM32 等单片机编程中，需要配置 4 个核心参数（不同外设可能有不同要求，需看 datasheet）：

• 时钟极性（CPOL） ：SCK 线空闲时的电平

  • CPOL=0：空闲时 SCK 为低电平；
  • CPOL=1：空闲时 SCK 为高电平。

• 时钟相位（CPHA） ：数据采样的时钟沿

  • CPHA=0：在 SCK 的 "第一个跳变沿"（上升沿或下降沿，取决于 CPOL）采样数据；
  • CPHA=1：在 SCK 的 "第二个跳变沿" 采样数据。
  • 组合后有 4 种模式（最常用 Mode 0：CPOL=0，CPHA=0；Mode 3：CPOL=1，CPHA=1）。

• 数据位长度：默认 8 位（1 字节），可配置为 16 位（比如传输 16 位的传感器数据）。

• 时钟频率：主机决定，不能超过从机的最大支持频率（比如传感器最大支持 10MHz，主机就设≤10MHz，常用 1MHz、4MHz）。

• 速度快：比 I2C（通常 100KHz~400KHz）快得多，适合传输大量数据（比如 OLED 屏显示、Flash 存储）；

• 协议简单：无起始 / 停止位、无应答机制，编程逻辑简单；

• 全双工：可同时收发数据，效率高。

• 信号线多：比 I2C（仅 2 根线）多 2 根，不适合引脚紧张的场景；

• 无硬件应答：通信错误需要软件处理（比如校验和）；

• 仅支持主从架构：不能多主机通信（I2C 支持）。

• GPIO 初始化：配置 SCK、MOSI、MISO 为复用推挽输出，SS 为通用推挽输出；

  c

  运行

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  // SCK(PA5)、MOSI(PA7)、MISO(PA6) 复用推挽
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽
  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  // SS(PA0) 通用推挽
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 初始拉高SS线

• SPI 初始化：配置模式、时钟、数据位等参数；

  SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
  SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; // 主机模式
  SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; // CPOL=0
  SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; // CPHA=0（Mode 0）
  SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; // 软件控制SS线（也可硬件控制）
  SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16; // 时钟分频（APB2=72MHz→72/16=4.5MHz）
  SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; // 8位数据
  SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; // 高位先传
  SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);
  SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); // 使能SPI1

• SPI 收发数据函数（核心：发送 1 字节的同时接收 1 字节）；

  // SPI发送并接收1字节数据
  uint8_t SPI_ReadWriteByte(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t txData) {
      while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送缓冲区空
      SPI_I2S_SendData(SPIx, txData); // 发送1字节
      while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收缓冲区非空
      return SPI_I2S_ReceiveData(SPIx); // 返回接收的1字节
  }

• 实际通信示例：读取从机数据；

  uint8_t SPI_ReadSensorData(void) {
      uint8_t rxData;
      GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 拉低SS，选中从机
      SPI_ReadWriteByte(SPI1, 0x03); // 发送"读取指令"0x03（同时接收的字节可忽略）
      rxData = SPI_ReadWriteByte(SPI1, 0x00); // 发送空数据（占位），接收传感器数据
      GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 拉高SS，释放从机
      return rxData;
  }

• 存储芯片：Flash（如 W25Q64）、EEPROM；

• 传感器：温湿度传感器（如 DHT22 的 SPI 版本）、加速度传感器（如 ADXL345）；

• 显示设备：OLED 屏（如 1.3 寸 SPI OLED）、LCD 屏；

• 其他：ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、无线模块（如 NRF24L01）。

• 4 根信号线：SCK（时钟）、MOSI（主机发）、MISO（主机收）、SS（选从机）；

• 通信逻辑：选中从机→时钟同步→收发数据→释放从机；

• 编程关键：配置 SPI 模式（CPOL/CPHA）、时钟频率、SS 线控制。