STM32F103 学习笔记-25-SPI-读写串行FLASH(第1节)-SPI协议介绍

一、SPI 协议原理

1.1 协议概述

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是摩托罗拉公司提出的 高速全双工同步通信总线，广泛应用于 ADC、LCD、Flash 等高速外设与 MCU 之间的数据传输。

对比 I2C：SPI 传输速率更高（STM32F1 最高支持 36 MHz），无设备地址概念，通过独立片选线选中从机；I2C 是半双工，最高速率 400 kHz，通过地址寻址。
存储特性：SPI Flash 是采用 SPI 协议的非易失性存储器，掉电后数据不丢失，常见容量从几兆字节到几十兆字节，远大于 EEPROM（通常几百字节到几千字节）。

1.2 物理层（4 线制）

SPI 总线由 4 根核心信号线组成，支持 一主多从 架构，所有从机共享 SCK、MOSI、MISO 三根线，每个从机拥有独立的 NSS 片选线。

信号线	英文全称	功能
NSS / CS	Slave Select	从机选择（片选）线，主机通过拉低对应从机的 NSS 线选中该设备
SCK	Serial Clock	时钟信号线，由主机产生，用于同步数据传输
MOSI	Master Output, Slave Input	主设备输出 / 从设备输入，数据从主机流向从机
MISO	Master Input, Slave Output	主设备输入 / 从设备输出，数据从从机流向主机

生活类比

SPI 通信就像老师和学生的课堂问答：

NSS：老师点名，只有被点到的学生（从机）才能参与对话

SCK：上课铃，规定什么时候说话、什么时候听讲

MOSI：老师讲课（主机发数据）

MISO：学生回答问题（从机发数据）

全双工意味着老师讲课的同时，学生也可以举手提问（数据双向同时传输）。

1.3 协议层

1.3.1 起始与停止信号

起始信号 ：NSS 线由 高电平变为低电平，表示通信开始，对应从机被选中。
停止信号 ：NSS 线由 低电平变为高电平，表示本次通信结束，从机释放总线。

1.3.2 数据传输规则

同步传输：数据在 SCK 时钟的同步下传输，每个时钟周期传输 1 位数据，MOSI 和 MISO 同时传输（全双工）。
字节顺序 ：SPI 协议本身未强制规定 MSB（高位）先行还是 LSB（低位）先行，但 绝大多数 SPI 设备采用 MSB 先行，STM32 可通过寄存器配置字节顺序。
数据长度：支持 8 位或 16 位数据帧，通信过程中只要 NSS 保持低电平，SCK 持续输出，就可以连续传输任意长度的数据。

1.3.3 时钟极性 (CPOL) 与时钟相位 (CPHA)

这两个参数决定了数据的采样时刻和时钟空闲状态，主从设备必须配置为相同的 CPOL 和 CPHA 才能正常通信。

CPOL（时钟极性）：定义 SPI 空闲时 SCK 的电平状态
- CPOL = 0：空闲时 SCK 为低电平
- CPOL = 1：空闲时 SCK 为高电平
CPHA（时钟相位）：定义数据的采样时刻
- CPHA = 0：在 SCK 的 奇数边沿 采样数据（第一个边沿）
- CPHA = 1：在 SCK 的 偶数边沿 采样数据（第二个边沿）

1.3.4 SPI 四种通信模式

CPOL 和 CPHA 的组合产生了 4 种 SPI 模式，其中 模式 0 和模式 3 是实际应用中最常用的两种。

SPI 模式	CPOL	CPHA	空闲时 SCK 电平	采样时刻
0	0	0	低电平	上升沿
1	0	1	低电平	下降沿
2	1	0	高电平	下降沿
3	1	1	高电平	上升沿

二、STM32F103 SPI 外设特性与架构

2.1 外设资源与总线挂载

STM32F103 系列包含 3 个 SPI 外设，挂载在不同的 APB 总线上，时钟频率不同：

SPI1 ：挂载在 APB2 总线，最高时钟 72 MHz，SPI 波特率最高为 72 MHz / 2 = 36 MHz
SPI2 ：挂载在 APB1 总线，最高时钟 36 MHz，SPI 波特率最高为 36 MHz / 2 = 18 MHz
SPI3 ：仅大容量产品支持，挂载在 APB1 总线，最高波特率 18 MHz；注意：SPI3 的 NSS 和 SCK 引脚与 JTAG 引脚共享，使用时需关闭 JTAG 并切换至 SWD 模式。

2.2 核心特性

根据 STM32F10x 参考手册，SPI 外设支持以下核心功能：

通信模式：3 线全双工、双线单工（带或不带双向数据线）
数据帧：8 位或 16 位数据帧，可配置 MSB / LSB 先行
主从模式：支持主模式和从模式，支持多主配置
波特率：8 级预分频（2 / 4 / 8 / 16 / 32 / 64 / 128 / 256），主模式最高为 PCLK / 2
NSS 管理：支持硬件 NSS 和软件 NSS 两种模式
可靠性：硬件 CRC 校验，支持 DMA 高速传输
扩展功能：大容量和互联型产品支持 I2S 音频协议（默认 SPI 模式）

2.3 硬件架构

SPI 外设的核心由以下部分组成：

复制代码

发送缓冲区 → 移位寄存器 → MOSI 引脚
MISO 引脚 → 移位寄存器 → 接收缓冲区
                  ↑
            波特率发生器 → SCK 引脚
                  ↑
              控制寄存器

发送 / 接收缓冲区：双缓冲结构，写入 SPI_DR 寄存器的数据进入发送缓冲区，接收到的数据存放在接收缓冲区
移位寄存器：负责将并行数据转换为串行数据输出，或将串行输入数据转换为并行数据
波特率发生器：根据控制寄存器的配置，从 APB 总线时钟分频产生 SCK 时钟信号
控制电路：管理整个 SPI 的工作模式、时序和中断

三、SPI 初始化配置（标准库）

3.1 初始化步骤

开启 GPIO 和 SPI 外设时钟
配置 GPIO 引脚模式（SPI 功能复用）
配置 SPI 初始化结构体（波特率、CPOL、CPHA、数据帧等）
使能 SPI 外设
（可选）配置中断或 DMA

3.2 最小可运行代码示例

`bsp_spi.h`

复制代码

#ifndef __BSP_SPI_H
#define __BSP_SPI_H

#include "stm32f10x.h"

// SPI1 引脚定义
#define SPI1_SCK_PIN     GPIO_Pin_5
#define SPI1_MOSI_PIN    GPIO_Pin_7
#define SPI1_MISO_PIN    GPIO_Pin_6
#define SPI1_NSS_PIN     GPIO_Pin_4  // 软件控制的片选引脚
#define SPI1_GPIO_PORT   GPIOA
#define SPI1_GPIO_CLK    RCC_APB2Periph_GPIOA
#define SPI1_CLK         RCC_APB2Periph_SPI1

// 片选控制宏
#define SPI1_NSS_LOW()   GPIO_ResetBits(SPI1_GPIO_PORT, SPI1_NSS_PIN)
#define SPI1_NSS_HIGH()  GPIO_SetBits(SPI1_GPIO_PORT, SPI1_NSS_PIN)

void SPI1_Init(void);
uint8_t SPI1_ReadWriteByte(uint8_t data);

#endif

`bsp_spi.c`

复制代码

#include "bsp_spi.h"

/**
 * @brief  SPI1 初始化函数
 * @note   配置为模式 0 (CPOL=0, CPHA=0)，8 位数据帧，MSB 先行，主模式
 *         波特率 = 72 MHz / 16 = 4.5 MHz，适用于大多数 SPI Flash
 */
void SPI1_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

    // 1. 开启 GPIO 和 SPI 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(SPI1_GPIO_CLK | SPI1_CLK, ENABLE);

    // 2. 配置 SPI 引脚
    // SCK 和 MOSI 配置为复用推挽输出（主机主动输出时钟和数据）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI1_SCK_PIN | SPI1_MOSI_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SPI1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // MISO 配置为浮空输入（主机接收从机数据）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI1_MISO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(SPI1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // NSS 配置为通用推挽输出（软件控制片选）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI1_NSS_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SPI1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    SPI1_NSS_HIGH();  // 默认拉高，未选中任何从机

    // 3. 配置 SPI 工作模式
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  // 双线全双工
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                       // 主模式
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                   // 8 位数据帧
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;                          // CPOL=0，空闲时 SCK 低电平
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;                        // CPHA=0，第一个边沿采样
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                           // 软件控制 NSS
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16; // 波特率预分频 16
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                  // MSB 先行
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;                            // CRC 多项式（不使用 CRC 时默认 7 即可）
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

    // 4. 使能 SPI 外设
    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

/**
 * @brief  SPI1 读写一个字节（全双工）
 * @param  data: 要发送的字节
 * @retval 接收到的字节
 * @note   SPI 全双工特性：发送一个字节的同时会接收一个字节
 *         写操作时，返回的字节无意义；读操作时，需要发送一个 dummy 字节
 */
uint8_t SPI1_ReadWriteByte(uint8_t data)
{
    // 等待发送缓冲区为空（TXE=1）
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    
    // 写入要发送的数据到数据寄存器
    SPI_I2S_SendData(SPI1, data);
    
    // 等待接收缓冲区非空（RXNE=1）
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    
    // 读取接收到的数据
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

`main.c`（简单测试）

复制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_spi.h"

int main(void)
{
    uint8_t tx_data = 0xAA;
    uint8_t rx_data;

    SPI1_Init();

    while (1)
    {
        SPI1_NSS_LOW();          // 选中从机
        rx_data = SPI1_ReadWriteByte(tx_data);  // 发送 0xAA，同时接收数据
        SPI1_NSS_HIGH();         // 取消选中从机
    }
}

3.3 代码关键解释

GPIO 配置：
- SCK 和 MOSI 作为主机输出，配置为 复用推挽输出 （GPIO_Mode_AF_PP）
- MISO 作为主机输入，配置为 浮空输入 （GPIO_Mode_IN_FLOATING）
- NSS 采用软件控制，配置为 通用推挽输出 （GPIO_Mode_Out_PP）
SPI 读写函数原理：

SPI 是全双工通信，发送和接收同时进行。因此：
- 写操作：主机发送数据，同时会收到从机返回的无效数据，忽略即可
- 读操作 ：主机需要发送一个 "dummy 字节"（如 0xFF），同时接收从机返回的有效数据
波特率计算：

SPI1 挂载在 APB2 总线（72 MHz），预分频系数为 16 时，波特率 = 72 MHz / 16 = 4.5 MHz。

预分频系数可在 SPI_BaudRatePrescaler_2到 SPI_BaudRatePrescaler_256之间选择。

四、注意事项（避坑指南）

引脚复用冲突：

SPI3 的 NSS (PB4) 和 SCK (PB3) 引脚与 JTAG 引脚共享，使用 SPI3 时必须：

复制代码

// 关闭 JTAG，保留 SWD
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);

主从模式一致性：

主设备和从设备的 CPOL、CPHA、数据帧长度、字节顺序 必须完全一致，否则会出现数据错乱。

SPI 关闭时机：

关闭 SPI 前必须等待传输完成，否则会丢失最后一个字节：

复制代码

// 等待发送缓冲区为空
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
// 等待 SPI 总线空闲
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET);
// 关闭 SPI
SPI_Cmd(SPI1, DISABLE);

软件 NSS 管理：

推荐使用软件控制 NSS 引脚，灵活性更高。硬件 NSS 模式适用于单主单从场景，多从场景下必须使用软件 NSS。
溢出错误处理：

只发送模式下，由于不会读取接收缓冲区的数据，SPI_SR 寄存器的 OVR（溢出）标志会被置 1，这是正常现象，无需处理。
时钟频率限制：

SPI 通信速率受限于 低速设备，即使 STM32 支持 36 MHz，也不能超过 SPI Flash 的最高工作频率（如 W25Q64 最高支持 80 MHz）。

五、参考出处

《STM32F10xxx 参考手册》第 23 章串行外设接口 (SPI)
《零死角玩转 STM32》SPI - 读写串行 FLASH 章节
STMicroelectronics. RM0008 Reference Manual, Rev 10, 2009

STM32F103 学习笔记-25-SPI-读写串行FLASH(第1节)-SPI协议介绍

一、SPI 协议原理

1.1 协议概述

1.2 物理层（4 线制）

1.3 协议层

1.3.1 起始与停止信号

1.3.2 数据传输规则

1.3.3 时钟极性 (CPOL) 与时钟相位 (CPHA)

1.3.4 SPI 四种通信模式

二、STM32F103 SPI 外设特性与架构

2.1 外设资源与总线挂载

2.2 核心特性

2.3 硬件架构

三、SPI 初始化配置（标准库）

3.1 初始化步骤

3.2 最小可运行代码示例

bsp_spi.h

bsp_spi.c

main.c（简单测试）

3.3 代码关键解释

四、注意事项（避坑指南）

五、参考出处

`bsp_spi.h`

`bsp_spi.c`

`main.c`（简单测试）