LV001-STM32的SPI

一、SPI简介

这一部分可以查看笔记《60-通信专题/30-SPI/LV001-SPI简介.md》。

二、STM32的SPI外设

1. 简介

STM32 的 SPI 外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的 SCK 时钟频率为 fpclk/2 (STM32F103 型号的芯片默认 f:sub:pclk1 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、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用 MOSI 及 MISO 数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。我们这里只学习双线全双工模式。

2. 框图

关于STM32的SPI外设的框图，我们可以看 STM32中文参考手册的23.3 SPI功能描述一节：

2.1 ①通讯引脚

SPI 的所有硬件架构都从图 24‑5 中左侧 MOSI、 MISO、 SCK 及 NSS 线展开的。 STM32 芯片有多个 SPI 外设，它们的 SPI 通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见下表。关于 GPIO 引脚的复用功能，还是要查看STM32参考手册。

引脚	SPI1	SPI2	SPI3
NSS	PA4	PB12	PA15 下载口的 TDI
CLK	PA5	PB13	PB3 下载口的 TDO
MISO	PA6	PB14	PB4 下载口的 NTRST
MOSI	PA7	PB15	PB5

其中 SPI1 是 APB2 上的设备，最高通信速率达 36Mbtis/s， SPI2、 SPI3 是 APB1 上的设备，最高通信速率为 18Mbits/s。除了通讯速率，在其它功能上没有差异。其中 SPI3 用到了下载接口的引脚，这几个引脚默认功能是下载，第二功能才是 IO 口，如果想使用 SPI3 接口，则程序上必须先禁用掉这几个 IO 口的下载功能。一般在资源不是十分紧张的情况下，这几个 IO 口是专门用于下载和调试程序，不会复用为 SPI3。 当用到SPI3的时候，需要注意我们下载的时候要按着reset复位按键，然后再下载，当芯片处于复位状态时，才能正常下载。

实际应用中，我们一般不使用 STM32 SPI 外设的标准 NSS 信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。NSS引脚通过配置寄存器，配置成通过软件来控制的形式，这样只要在需要启动SPI的时候将NSS拉低就可以了，不一定非要接在PA4。

对于GPIO的复用模式，我们可以看STM32中文参考手册8.11小节：

2.2 ②时钟控制逻辑

SCK 线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器 CR1”中的 BR[0:2] 位控制，该位是对 fpclk时钟的分频因子，对 fpclk 的分频结果就是 SCK 引脚的输出时钟频率，计算方法见下表。

BR[0:2]	分频结果 (SCK 频率)	BR[0:2]	分频结果 (SCK 频率)
000	fpclk/2	100	fpclk/32
001	fpclk/4	101	fpclk/64
010	fpclk/8	110	fpclk/128
011	fpclk/16	111	fpclk/256

其中的 fpclk 频率是指 SPI 所在的 APB 总线频率， APB1 为 fpclk1， APB2 为 fpckl2。通过配置“控制寄存器 CR”的“CPOL 位”及“CPHA”位可以把 SPI 设置成 4 种 SPI模式中的一种。

2.3 ③数据控制逻辑

SPI 的 MOSI 及 MISO 都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标接收、发送缓冲区以及 MISO、 MOSI 线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。通过写 SPI 的“数据寄存器 DR”把数据填充到发送缓冲区中，通讯读“数据寄存器 DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器 CR1”的“DFF 位”配置成 8 位及 16 位模式；配置“LSBFIRST 位”可选择 MSB 先行还是 LSB 先行。

2.4 ④整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个 SPI 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的 SPI 模式、波特率、 LSB 先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解 SPI 的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 SPI 中断信号、 DMA 请求及控制 NSS 信号线。

3. 通讯过程

STM32 使用 SPI 外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器 SR”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。 我们可以查看 STM32中文参考手册的 23.3.5 数据发送与接收过程部分。

主模式收发流程及事件说明如下：

（1）控制 NSS 信号线，产生起始信号 (图中没有画出)；

（2）把要发送的数据写入到“数据寄存器 DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；

（3）通讯开始， SCK 时钟开始运行。 MOSI 把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去； MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；

（4）当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器 SR”中的“TXE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；

（5）等待到“TXE 标志位”为 1 时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器 DR”写入数据即可；等待到“RXNE 标志位”为 1 时，通过读取“数据寄存器 DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

假如我们使能了 TXE 或 RXNE 中断， TXE 或 RXNE 置 1 时会产生 SPI 中断信号，进入同一个中断服务函数，到 SPI 中断服务程序后，可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用 DMA 方式来收发“数据寄存器 DR”中的数据。

【注意】：发送和接收是同时进行的，当我们只想接收数据的时候也还是需要向发送缓冲区写数据，这样才能触发SPI产生时钟驱动数据的传输，当然我们写入的数据可以是任意的，只要有数据写进去就可以。

4. SPI在那个总线？

这个我们可以看一下系统框图：

会发现，这里SPI1挂载在APB1总线，最高时钟就是36MHz，剩下两个挂载在APB2总线，最高时钟源为72MHz，根据这些信息来控制SPI的时钟。

三、相关寄存器

这一部分我们可以查看 STM32中文参考手册的23.5 SPI和I2S寄存器描述。我们可以用半字(16位)或字(32位)的方式操作这些外设寄存器。

1. 控制寄存器 1(SPI_CR1)

2. 控制寄存器 2(SPI_CR2)

3. 状态寄存器(SPI_SR)

4. 数据寄存器(SPI_DR)

5. 配置寄存器(SPI_I2S_CFGR)

6. 预分频寄存器(SPI_I2SPR)

四、HAL库函数

1. SPI_InitTypeDef

typedef struct {
uint32_t Mode;       /* 设置 SPI 的主/从机端模式 */
uint32_t Direction;  /* 设置 SPI 的单双向模式 */
uint32_t DataSize;   /* 设置 SPI 的数据帧长度，可选 8/16 位 */
uint32_t CLKPolarity;/* 设置时钟极性 CPOL，可选高/低电平 */
uint32_t CLKPhase;   /* 设置时钟相位，可选奇/偶数边沿采样 */
uint32_t NSS;        /* 设置 NSS 引脚由 SPI 硬件控制还是软件控制 */
uint32_t BaudRatePrescaler; /* 设置时钟分频因子， fpclk/分频数 =fSCK */
uint32_t FirstBit;          /* 设置 MSB/LSB 先行 */
uint32_t TIMode;            /* 指定是否启用 TI 模式 */
uint32_t CRCCalculation;    /* 指定是否启用 CRC 计算 */
uint32_t CRCPolynomial;     /* 设置 CRC 校验的表达式 */
} SPI_InitTypeDef;

（1）Mode： 本成员设置 SPI 工作在主机模式 (SPI_MODE_MASTER) 或从机模式 (SPI_MODE_SLAVE )，这两个模式的最大区别为 SPI 的 SCK 信号线的时序，SCK 的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式， STM32 的 SPI 外设将接受外来的 SCK 信号。

（2）Direction：本成员设置 SPI 的通讯方向，可设置为双线全双工 (SPI_DIRECTION_2LINES)，双线只接收 (SPI_DIRECTION_2LINES_RXONLY)，单线SPI_DIRECTION_1LINE。

（3）DataSize： 本成员可以选择 SPI 通讯的数据帧大小是为 8 位 (SPI_DATASIZE_8BIT) 还是 16位 (SPI_DATASIZE_16BIT)。

（4）CLKPolarity 和 CLKPhase：这两个成员配置 SPI 的时钟极性 CLKPolarity 和时钟相位CLKPhase ，这两个配置影响到 SPI 的通讯模式，关于 CLKPolarity 和 CLKPhase 可以看前边的笔记。时钟极性 CLKPolarity 成员，可设置为高电平 (SPI_POLARITY_HIGH)或低电平 (SPI_POLARITY_LOW)。时钟相位 CPHA 则可设置为 SPI_PHASE_1EDGE(在SCK 的奇数边沿采集数据) 或 SPI_P HASE_2EDGE(在 SCK 的偶数边沿采集数据) 。

（5）NSS： 本成员配置 NSS 引脚的使用模式，可以选择为硬件模式 (SPI_NSS_HARD ) 与软件模式 ( SPI_NSS_SOFT )，在硬件模式中的 SPI 片选信号由 SPI 硬件自动产生，而软件模式则需要我们亲自把相应的 GPIO 端口拉高或置低产生非片选和片选信号。实际中软件模式应用比较多。

（6）BaudRatePrescaler： 本成员设置波特率分频因子，分频后的时钟即为 SPI 的 SCK 信号线的时钟频率。这个成员参数可设置为 fpclk 的 2、 4、 6、 8、 16、 32、 64、 128、 256 分频。

（7）FirstBit： 所有串行的通讯协议都会有 MSB 先行 (高位数据在前) 还是 LSB 先行 (低位数据在前) 的问题，而 STM32 的 SPI 模块可以通过这个结构体成员，对这个特性编程控制。

（8）TIMode ：指定是否启用 TI 模式。可选择为使能 ( SPI_TIMO DE_ENABLE ) 与不是能( SPI_TIMODE_DISABLE )。

（9）CRCCalculation ：指定是否启用 CRC 计算。

（10）SPI_CRCPolynomial： 这是 SPI 的 CRC 校验中的多项式，若我们使用 CRC 校验时，就使用这个成员的参数 (多项式)，来计算 CRC 的值。

2. 数据传输

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);