SPI_STM32的SPI外设及常用寄存器介绍

引言

前面介绍了一般SPI的基本原理及软件模拟SPI实现了W25Q32闪存存储器的读写操作，本次继续介绍STM32内部自带的SPI外设的相关内容以及常用寄存器的配置内容。

一、SPI外设基本介绍

笔者使用的是STM32F103ZET6这款型号的STM32单片机，对于STM32 的 SPI 外设，其可用作通讯的主机和从机，支持最高的 SCK 时钟频率为fpclk/2 （STM32F103 型号的芯片默认fpclk1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、单线双向以及单线模式。当然，一般用的比较多还是双线全双工模式。

STM32F103系列提供了3个SPI外设 ，其中SPI1挂在APB2总线，SPI2/3挂在APB1总线。即一款STM32上使用不同种SPI外设，可能最高频率也会有所差距。

二、SPI外设功能框图

接下来，简单介绍一下STM32中SPI外设的功能框图，如下图所示，大家可直接在手册中相应章节找到。

相信大家学完前面的SP基本知识和实战练习后，看见这张图应该并不觉得很陌生了，因为其中的核心原理在前面介绍SPI基本原理时其实用过类似的简化结构图描述过。本次，我们专门来介绍一下STM32的SPI外设功能框图，同样依据前面思路，从边缘引脚开始，逐层深入介绍。

先看左边引脚部分，一共就4个引脚，可想而知就是SPI设备具备的时钟线SCK、输入输出数据线MOSI、MISO、片选信号线NSS。

最上一个是MOSI ，即主机输出 / 从机输入 引脚，作为单向数据通路：当STM32作为SPI主机时，数据经此引脚向外传输；若作为从机，则通过该引脚接收外部主机的指令与数据。

第二个是MISO ，与 MOSI 构成双向链路的另一通路 ：主机用它接收从机的数据，从机则通过它向主机回传信息。

第三个是 SCK 引脚，作为同步时钟输出引脚，SPI的数据位遵循该引脚产生的电平跳变完成传输.SCK引脚输出的时钟信号来自内部的 "波特率发生器"，可类比串口通信波特率产生器件，即用于设置通信速率的，也就是负责生成稳定的时钟频率。

第四个是NSS 引脚，即片选信号引脚。SPI总线可挂载多设备，此引脚的电平状态（通常低电平有效）决定了当前与主机通信的目标设备，未被选中的设备会处于静默状态；其控制方式灵活，既可以由硬件电路自动管理（比如通信时自动拉低选中设备，也就是直接使用主机的GPIO引脚接线控制），也能通过软件配置手动控制选通逻辑。

从引脚向内部看，首先进入的是数据寄存器对应的双缓冲区结构， 即一个数据寄存器对应俩缓冲区。SPI 的数据传输围绕两个缓冲区展开，一个是发送缓冲区，执行写操作时，数据会被存入这个缓冲区；另一个是接收缓冲区，读操作则是从这个缓冲区中获取已接收的内容。

缓冲区之后，是实现串并行转换的移位寄存器，它是数据格式转换的核心单元。发送流程中，写入发送缓冲区的数据会被传递到移位寄存器，随后移位寄存器将并行数据逐位拆分，通过 MOSI 引脚串行发送出去；接收流程则呈现逆向逻辑：外部设备经 MISO 引脚传入的串行数据，会被移位寄存器按时钟节拍逐位接收、重组为并行数据，待一帧数据接收完成后，数据被转存至接收缓冲区，供系统读取。

此单元中还设有LSBFIRST 控制位，可定义数据帧格式（高位先行，还是低位先行）。

进一步深入内部，是 SPI 的控制核心部分，由波特率发生器、主控制电路及配置寄存器共同构成。

波特率发生器作为 SCK 时钟的信号来源，当 STM32 作为主机时，它由SPI_CR1寄存器中 BR [2:0] 位的配置，生成分频后的时钟信号，一般不会将时钟频率配置最高即总线时钟的一半，不然过于极限；若 STM32 为从机，时钟则由外部主机提供，此发生器暂不工作。

主控制电路则是 SPI 的逻辑调度组件，它解析 SPI_CR1 寄存器中的配置位，例如 MSTR 位定义主机 / 从机模式、CPOL/CPHA 位定义时钟的极性与相位、SSM 位定义 NSS 引脚的硬件 / 软件控制方式、LSB FIRST即数据低位先行控制位、SPE位即SPI的使能开启位，并将这些配置转化为实际的通信行为，同时协调各模块的时序配合。

之所以片选引脚控制分为硬件和软件控制两种方式，可能是全面考虑。

所谓硬件控即直接从机片选信号引脚通过连线接到主机上，主机利用GPIO口输出高低电平进行芯片选择，显然这一般更常用于从机，毕竟更方便供主机控制；

所谓软件则是直接由软件置位完成片选信号的控制，这样无需接线，更适合主机自身需要控制片选线的场景，当然此时片选可能多置输出，比如主机片选线作为总线挂载其他设备的片选，主机一键拉低自身片选进而同时给多设备进行数据交换，这也是SPI外设的一种广播发送模式。

最后还有一部分即SPI_SR状态寄存器部分，用于管理SPI通信的一些状态。SR状态寄存器中的BSY 位标识 SPI 是否处于忙状态、TXE 位指示发送缓冲区是否为空、RXNE 位提示接收缓冲区是否不为空即是否准备好进行读取，这些都是进行数据交换时相对重要的内容。

除此之外，若出现接收溢出（OVR 位）、CRC 校验错误（CRCERR 位）等异常，寄存器也会实时设置状态位，便于系统及时处理。其中，CRC 校验模块可通过 SPI_CR1 寄存器的 CRC_EN 位使能，它会自动为发送数据生成校验值，并在接收端核对数据完整性；而 BIDI_MODE 位则支持将 MOSI 与 MISO 合并为单引脚的双向通信模式，以适配不同的硬件简化场景，这些了解即可。

三、SP I外设的片选控制

STM32 与 Flash 进行SPI通信时的片选控制及 NSS 引脚使用主要有三种情况：

1、Flash 片选的控制方式

Flash 的 CS 引脚固定连接到 STM32 的某一通用 GPIO 引脚（如 PC13），无论采用软件模拟 SPI 还是 硬件 SPI，均通过该 GPIO 引脚的高低电平切换来控制 Flash 片选，与 STM32 SPI 模块自身的 NSS 引脚无关。

2、主设备模式下 NSS 引脚的处理

当 STM32 作为 SPI 主设备时，NSS 引脚不用于 Flash 片选，有两种常用处理方式：

硬件方式：将 NSS 引脚直接接 3.3V 高电平，使其保持非选中状态，确保 STM32 稳定工作在主设备模式。
软件方式：配置 SPI_CR1 寄存器，置位 SSM（软件从设备管理） 和 SSI（内部从设备选择） 位，在软件层面拉高 NSS 信号，无需额外硬件接线。

3、NSS 引脚的特殊应用场景

可通过设置 SPI_CR2 寄存器的 SSOE 位，将 NSS 引脚配置为输出模式，在主模式下实现对多个从设备的片选信号广播，适用于 SPI 广播工作模式。

因此，如上图。在笔者开发板上，实际主机STM32的片选引脚是没有进行硬件接线的，因此选择软件控制，并拉高即可，然后从机芯片W25Q32的片选引脚仍是由主机32的GPIO引脚PC13进行控制，属于硬件控制方式。

四、常用寄存器介绍

从前面框图来看，STM32 SPI外设的配置主要围绕几个核心寄存器展开：SPI_CR1（控制寄存器1）、SPI_CR2（控制寄存器2）、SPI_SR（状态寄存器）和SPI_DR（数据寄存器）。

4.1 SPI_CR1寄存器

其中，SPI_CR1寄存器承担了大部分基本工作模式的配置：

MSTR (Master Selection)：必须置1，将STM32配置为主设备模式，以控制Flash。
BR (Baud Rate Control)：用于设置SPI通信的波特率分频因子。例如，对于连接到APB2总线的SPI1（72MHz时钟），选择四分频（BR位设置为001）可得到18MHz的SPI时钟，满足Flash通常的频率要求，同时一般考虑从设备传输速率限制，也不会将通信频率设置到极限，一般十几MHz的频率就够了，后续HAL库实现时就会有所体会。
CPOL (Clock Polarity) 和 CPHA (Clock Phase)：共同决定SPI的时钟极性和相位，定义了数据采样和时钟跳变沿的关系。通常选择模式0（CPOL=0, CPHA=0），即空闲时时钟为低电平，在第一个时钟跳变沿（上升沿）采样数据。
DFF (Data Frame Format)：选择数据帧格式，可配置为8位（置0）或16位（置1）。通常使用8位数据帧，即每次传输一个字节。
LSBFIRST (LSB First)：控制数据传输是高位先行（默认，置0）还是低位先行（置1）。
SSM (Software Slave Management) 和 SSI (Internal Slave Select)：如前所述，SSM置1启用软件NSS管理，SSI置1使NSS信号在内部拉高，确保主设备模式。
SPE (SPI Enable) ：所有配置完成后，置1以使能SPI外设模块。

4.2 SPI_CR2寄存器

SPI_CR2寄存器主要用于配置中断使能和DMA功能：

TXIE, RXNEIE, ERRIE：分别用于使能发送缓冲区空、接收缓冲区非空和错误中断。
TXDMAEN, RXDMAEN：用于使能发送和接收的DMA通道，以实现更高效的数据传输。
SSOE (SS Output Enable)：用于在主模式下使能NSS引脚作为输出，实现广播模式。

由于本次学习不会使用，故这里不过多赘述，大家需要使用时，可自行在手册中查阅。

4.3 SPI_DR寄存器

SPI_DR (Data Register) 寄存器用于数据的读写操作。对应框图中的发送接收缓冲区，向DR写入数据会触发数据发送，从DR读取数据则获取接收到的数据。

4.4 SPI_SR寄存器

SPI_SR (Status Register) 寄存器包含了各种状态标志：

TXE (Transmit Buffer Empty)：发送缓冲区为空标志，置1表示可以写入新数据，由硬件自动置位，读取DR时一般可清除该位。
RXNE (Receive Buffer Not Empty)：接收缓冲区非空标志，置1表示有新数据待读取由硬件自动置位，读取DR时一般可清除该位。
BSY (Busy Flag)：忙碌标志，置1表示SPI正在进行通信。
OVR (Overrun Flag)：溢出标志，表示接收缓冲区溢出，基础学习不会使用。
MODF (Mode Fault) ：模式错误标志。基础学习不会使用。
CRCERR (CRC Error Flag) ：CRC校验错误标志。基础学习不会使用。

该寄存器主要使用的是忙标志、接收非空标志以及发送为空标志，根据前面软件模拟SPI实战经验，这三个标志将用于读写操作循环等待过程。

4.5 相关高级配置简述

除了基本的SPI通信功能，STM32的SPI模块还支持一些高级特性：

循环冗余校验 (CRC)：SPI模块内置了CRC校验功能，通过配置CRCPR（CRC多项式寄存器）、TXCRCR（发送CRC寄存器）和RXCRCR（接收CRC寄存器）以及CR1寄存器中的CRCEN和CRCNEXT位，可以启用和管理CRC校验。这在需要数据完整性验证的场合非常有用，例如文件传输。
I2S（Inter-IC Sound）协议支持：STM32的SPI接口可以配置为支持I2S协议，这是一种用于传输数字音频数据的串行总线协议。相关的寄存器如I2SCFGR和I2SPR用于配置I2S的工作模式，例如音频采样率、数据长度、通道选择等。这使得SPI模块在多媒体应用中具有更广泛的用途。
单线双向（半双工）模式：通过配置CR1寄存器中的BIDIMODE和BIDIOE位，可以将SPI模块从默认的双线双向（全双工）模式切换到单线双向（半双工）模式。在半双工模式下，SPI只使用一根数据线进行收发，但不能同时进行。BIDIOE位用于控制数据线的方向（输出或输入）。
只接收模式：通过设置CR1寄存器中的RXONLY位，可以将SPI模块配置为只接收模式，即只接收数据而不发送数据，这在某些特定应用中可以简化通信逻辑。这些高级功能虽然在日常的Flash读写中不常用，但它们展示了STM32 SPI模块的强大灵活性和广泛适用性，能够满足各种复杂的通信需求。

4.6 主机配置一般流程

根据手册描述可知，当SPI设备作为主机时，配置流程如下：

其实，手册描述已经极为清楚，所以这里再精简总结一下这个配置步骤，实际上就是后续初始化硬件SPI核心部分的步骤：设置主模式-时钟波特率配置-时钟极性和相位-数据帧格式（宽度、传输顺序）-片选配置-启动SPI。大家根据整个SPI外设框图从外到内来看的话，也基本能够得出这个步骤，然后配置对应的寄存器位就完事了，这里就不在赘述。

4.7 读写操作寄存器总结

SPI外设进行数据收发时属于交换数据的过程，因此根据前面经验，通常会封装一个"交换字节数据"的函数（或者根据DFF配置，交换16位即2字节数据）。这里根据前面实战经验及这里寄存器配置方式总结一下：

（1）发送数据流程：

判断发送缓冲区是否为空：通过查询SPI_SR寄存器中的TXE位。当TXE为1时，表示发送缓冲区为空，可以写入新数据。

写入数据：将待发送的字节数据写入SPI_DR寄存器。一旦数据写入，SPI硬件会自动开始将数据移位发送出去。

（2）接收数据流程：

等待接收缓冲区非空：通过查询SPI_SR寄存器中的RXNE位。当RXNE为1时，表示接收缓冲区已接收到一个完整的数据帧（例如一个字节），可以读取。

读取数据：从SPI_DR寄存器中读取接收到的字节数据。读取操作会自动清零RXNE标志位。

在一个典型的交换字节函数中，发送和接收是同步进行的。发送一个字节的同时，SPI模块也会接收一个字节。因此，在发送数据后，需要等待接收缓冲区非空，然后读取接收到的数据。这种操作模式确保了数据的双向同步交换。例如，在Flash读操作中，发送读命令后，需要不断发送"哑数据"（dummy byte）即没有意义随意发送的数据，同时接收Flash返回的数据。参考代码如下：

cpp 复制代码

uint8_t SPI_SwapByte(uint8_t byte_sended)
{
    /* 1. 等待发送缓冲区为空 */
    while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE))
    {}
    /* 2. 把数据写入到数据寄存器 */
    SPI1->DR = byte_sended;
    /* 3. 等待接收缓冲区非空 */
    while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE))
    {}
    /* 4. 返回读到的字节数据 */
    return SPI1->DR;
}

注：考虑到手册中关于SPI外设的寄存器配置较为简单，且笔者认为该部分手册描述也较为清楚，因此没有做过多描述，大家若仍存在基础内容和配置的疑问，可在评论区讨论和自行查阅资料解决。

五、小结

本文介绍了STM32 SPI外设的基本原理与配置方法。主要内容包括：

1）SPI外设功能框图解析，详细说明MOSI、MISO、SCK和NSS引脚的功能及内部数据缓冲区、移位寄存器等核心模块；

2）片选控制的三种实现方式，重点分析主设备模式下NSS引脚的硬件/软件配置方法；

3）关键寄存器（CR1、CR2、SR、DR）的功能说明及典型配置流程；

4）数据交换的实现机制，给出了基于寄存器操作的字节交换函数示例。

以上便是本次文章的所有内容，欢迎各位朋友在评论区讨论，本人也是一名初学小白，愿大家共同努力，一起进步吧！

鉴于笔者能力有限，难免出现一些纰漏和不足，望大家在评论区批评指正，谢谢！