SPI通信原理与练习记录
SPI（串行外设接口）是一种高速、全双工、同步串行通信总线，因其协议简洁、配置灵活、传输速率高，被广泛用于FLASH、触摸屏、OLED、传感器等外设的通信场景。本文以野火霸道V2（STM32F103ZET6）开发板为载体，从底层原理讲起，逐步解析SPI硬件架构、四种工作模式、标准库配置流程，并给出回环自测与W25Q64串行FLASH读写两个实战案例，帮助读者快速掌握STM32平台下的SPI通信开发。
一、SPI通信核心原理
1.1 总线物理结构
SPI采用四线制标准接口，无设备地址寻址机制，通过独立的片选线区分从设备，硬件架构简洁高效。四条信号线功能如下：
-
SCK（串行时钟）：由主设备产生，用于同步数据传输，时钟频率可软件配置。STM32F103的SPI时钟最高可达18 MHz（主频72 MHz、4分频）。
-
MOSI（主发从收）：主设备数据输出线，用于向从设备发送指令和数据。
-
MISO（主收从发）：主设备数据输入线，用于接收从设备返回的状态或数据。
-
CS/NSS（片选）：从设备使能信号，低电平有效。只有片选被拉低的从设备才会响应主设备，该机制支持一主多从架构。
SPI为全双工通信，MOSI和MISO可在同一时钟周期内同时收发数据，相比I²C等半双工总线，传输效率显著提升，非常适合高速外设通信。
1.2 四种工作模式
SPI的核心配置参数为时钟极性（CPOL） 和时钟相位（CPHA），二者组合决定数据采样和移位的时刻。通信双方必须工作在完全相同的模式下，否则数据会错乱。
| 模式 | CPOL（空闲电平） | CPHA（采样边沿） | 通信特性 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 模式0 | 0（低） | 0（第一个边沿） | 空闲SCK低，上升沿采样，下降沿移位 | W25Q系列FLASH、OLED |
| 模式1 | 0（低） | 1（第二个边沿） | 空闲SCK低，下降沿采样，上升沿移位 | 部分传感器 |
| 模式2 | 1（高） | 0（第一个边沿） | 空闲SCK高，下降沿采样，上升沿移位 | 部分触摸芯片 |
| 模式3 | 1（高） | 1（第二个边沿） | 空闲SCK高，上升沿采样，下降沿移位 | XPT2046触摸屏 |
野火霸道V2板载的W25Q64 FLASH默认使用模式0，这也是嵌入式开发中最常用的配置。
二、野火霸道V2 SPI硬件资源
STM32F103ZET6内置3个硬件SPI外设（SPI1、SPI2、SPI3），各外设的引脚分配、总线时钟域和适用场景有所不同。板载外设已固定连接至特定SPI接口，开发者可直接使用。
2.1 SPI外设引脚映射
| SPI外设 | SCK引脚 | MOSI引脚 | MISO引脚 | 总线时钟 | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| SPI1 | PA5 | PA7 | PA6 | APB2（高速） | 板载W25Q64 FLASH（默认） |
| SPI2 | PB13 | PB15 | PB14 | APB1 | 外接触摸屏、传感器 |
| SPI3 | PB3 | PB5 | PB4 | APB1 | 拓展接口，支持引脚重映射，可用于回环测试 |
2.2 板载默认外设配置
-
SPI1 ：与板载W25Q64 FLASH硬件绑定，片选引脚为PA4（软件控制），无需外接任何线缆即可进行FLASH读写实验，是新手入门的最佳实践对象。
-
SPI2：可用于连接XPT2046电阻触摸屏，适配触控交互开发场景。
三、SPI标准库开发配置流程
以下以最常用的**SPI1（连接W25Q64）**为例，完整展示标准库下的初始化与收发函数封装。
3.1 时钟使能
SPI1挂载于APB2总线，对应GPIOA也需开启时钟：
c
cpp
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);3.2 GPIO引脚模式配置
SPI引脚需设置为复用功能模式，其中SCK和MOSI为推挽输出，MISO为浮空或上拉输入，CS作为普通GPIO输出（软件片选）：
c
cpp
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
// SCK(PA5) 和 MOSI(PA7) → 复用推挽输出
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// MISO(PA6) → 上拉输入
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// CS(PA4) → 普通推挽输出（软件控制）
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 默认片选拉高，不选中从设备
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);3.3 SPI核心参数配置
根据W25Q64的模式0要求，配置SPI为主设备、全双工、8位数据格式、软件NSS，时钟分频设置为4（得到18 MHz）：
c
cpp
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; // 空闲低电平
SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; // 第一个边沿采样（模式0）
SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; // 软件控制NSS
SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; // 18 MHz
SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; // 高位先传
SPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial = 7; // CRC多项式（不使用时可忽略）
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);3.4 数据收发函数封装
SPI的收发是同步进行的：发送一个字节的同时会接收一个字节。封装如下基础函数，后续所有操作均依赖它：
c
cpp
/**
* @brief 通过SPI1发送一个字节并同时接收一个字节
* @param data: 待发送的数据
* @retval 接收到的数据
*/
uint8_t SPI1_SendRecvByte(uint8_t data)
{
while (SPI_GetFlagStatus(SPI1, SPI_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送缓冲区空
SPI_SendData(SPI1, data);
while (SPI_GetFlagStatus(SPI1, SPI_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收完成
return SPI_ReceiveData(SPI1);
}四、练习案例1：SPI回环自测
回环测试通过短接开发板的MOSI 与MISO引脚，实现自发自收，无需外接任何从设备，是验证SPI硬件和软件配置正确性的快速手段。
4.1 硬件连接
使用跳线帽短接野火霸道V2板上SPI3 对应的PB5（MOSI） 和**PB4（MISO）**引脚（若使用SPI1，则短接PA7与PA6，但注意SPI1已板载FLASH，可能产生冲突，故推荐用SPI3）。
4.2 测试原理
主设备发送特定数据，数据经外部短接线路直接返回至接收引脚。若收发一致，则说明SPI时钟、引脚、配置均正常。
4.3 核心代码
c
cpp
void SPI3_Loopback_Test(void)
{
uint8_t tx_data = 0xA5;
uint8_t rx_data = 0;
SPI3_Init(); // 初始化SPI3（模式0，全双工）
rx_data = SPI3_SendRecvByte(tx_data);
if (rx_data == tx_data)
printf("SPI回环测试通过！发送:0x%02X 接收:0x%02X\r\n", tx_data, rx_data);
else
printf("SPI回环测试失败！发送:0x%02X 接收:0x%02X\r\n", tx_data, rx_data);
}若输出"通过"，则可确信SPI底层驱动工作正常。
五、练习案例2：W25Q64 FLASH读写
野火霸道V2板载W25Q64（8 MB）串行FLASH，通过SPI1连接。本节演示如何对FLASH指定地址进行数据写入与读取，验证实际外设通信能力。
5.1 FLASH操作基本时序
W25Q系列通信遵循固定指令序列：
片选拉低 → 发送指令码 → 发送地址（3字节） → 读/写数据 → 片选拉高。常用指令包括：
-
读数据 (0x03)
-
页写入 (0x02) ------ 需先发写使能 (0x06)
-
扇区擦除 (0x20) ------ 写入前必须擦除目标扇区
5.2 核心函数实现
c
cpp
#define SPI_FLASH_CS_LOW() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4)
#define SPI_FLASH_CS_HIGH() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4)
/**
* @brief 从W25Q指定地址读取1字节
*/
uint8_t W25Q_ReadByte(uint32_t addr)
{
uint8_t data;
SPI_FLASH_CS_LOW();
SPI1_SendRecvByte(0x03); // 读指令
SPI1_SendRecvByte((addr >> 16) & 0xFF); // 地址高8位
SPI1_SendRecvByte((addr >> 8) & 0xFF); // 地址中8位
SPI1_SendRecvByte(addr & 0xFF); // 地址低8位
data = SPI1_SendRecvByte(0xFF); // 发送任意字节，同时读取
SPI_FLASH_CS_HIGH();
return data;
}
/**
* @brief 向W25Q指定地址页写入数据（长度不超过256字节）
*/
void W25Q_PageWrite(uint32_t addr, uint8_t *pBuf, uint16_t len)
{
uint16_t i;
// 写使能
SPI_FLASH_CS_LOW();
SPI1_SendRecvByte(0x06);
SPI_FLASH_CS_HIGH();
delay_ms(1);
// 页写入指令 + 地址
SPI_FLASH_CS_LOW();
SPI1_SendRecvByte(0x02);
SPI1_SendRecvByte((addr >> 16) & 0xFF);
SPI1_SendRecvByte((addr >> 8) & 0xFF);
SPI1_SendRecvByte(addr & 0xFF);
for (i = 0; i < len; i++) {
SPI1_SendRecvByte(pBuf[i]);
}
SPI_FLASH_CS_HIGH();
delay_ms(10); // 等待页编程完成
}5.3 完整测试流程
-
初始化SPI1及GPIO；
-
擦除待写入的扇区（如地址0x000000所在扇区）；
-
调用页写入函数写入一串测试数据；
-
从相同地址回读数据；
-
对比写入与读出的内容，若一致则说明通信正常。
注意：FLASH写入前必须先擦除（将目标扇区全部置为0xFF），否则非0xFF的位无法被改写为0。
六、常见问题与排查方法
| 现象 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 收发数据错乱 | CPOL/CPHA不匹配；时钟频率过高；数据位/顺序配置错误 | 核对从设备数据手册，确保模式一致；降低分频系数；检查LSB/MSB设置 |
| 读不到外设数据 | CS未拉低；MISO引脚模式错误（如设为输出）；硬件虚焊 | 用逻辑分析仪检查CS时序；确认GPIO模式为输入；检查电气连接 |
| 回环测试失败 | MOSI与MISO未正确短接；SPI时钟未使能；外设未使能 | 检查跳线；确认SPI_Cmd(ENABLE)已调用；检查时钟使能函数 |
| FLASH写入读出不一致 | 未先擦除目标扇区；写使能未生效；地址越界 | 写入前执行扇区擦除；检查写使能指令是否发送成功；确保地址在有效范围 |
七、总结
本文从SPI总线原理出发，结合野火霸道V2（STM32F103ZET6）开发板，详细讲解了SPI的硬件资源、四种工作模式、标准库配置流程，并给出了回环自测和W25Q64 FLASH读写的完整实战代码。SPI开发的关键在于模式匹配、时序正确、引脚配置无误。借助回环测试可快速验证驱动基础，而板载FLASH实验则能完整检验外设通信能力。读者可基于本文提供的代码框架，轻松扩展至OLED、触摸屏、各类传感器等更多SPI设备的开发。