SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议 (Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。

硬件连接

• 所有从机共用时钟线（SCK）和数据线（MOSI、MISO），每个从机都与主机有一根片选线NSS。NSS低电平时有效，表示选中该从机，所以SPI以NSS低电平为信号开始，高电平为信号结束。

• MOSI (Master Output，Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输

出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

• MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数

据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

协议层

NSS拉低表示通讯的开始，NSS拉高表示通讯结束

SCK是时钟线，为通信提供时钟信号

MOSI和MISO是数据线，上图中MOSI在SCK上升沿时变化，下降沿时从机采样接收信号。但上升沿和下降沿都可以采样或者触发，只需要调整CPOL和CHPA即可。

CPOL：时钟极性，CPOL=0，时钟线空闲时刻为0 CPOL=1，时钟线空闲时刻为1

CHPA：时钟相位，CHPA=0，奇数边沿采样。CHPA=1，偶数边沿采样。

由于CPOL和CHPA的两种状态，SPI有四种模式，一般采用模式0或模式3

STM32-SPI

STM32上有SPI外设，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 (STM32F407 型号的芯片默认 fpclk142MHz，fpclk2 为 84MHz)，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 (前面小节说明的都是这种模式)、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。

STM32 SPI框架图

第一部分为SCK、MISO、MOSI、NSS通讯引脚

STM32F4系列的引脚如下：

第二部分为波特率发生器

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，BR[0:2]的值对应的分频结果如下：

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 设置成前面分析的 4 种 SPI模式。

第三部分为数据控制逻辑电路

SPI 的 MOSI 及 MISO 都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的内容来源于接收缓冲区及发送缓冲区以及 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，通过“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。

第四部分整体逻辑控制

• 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、单双向模式等都可以通过根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变
• 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。
• 控制逻辑还负责控制产生 SPI 中断信号、DMA 请求及控制 NSS 信号线。

NSS线一般使用GPIO替代产生开始结束信号即可

SPI初始化结构体

typedef struct
{
	uint16_t SPI_Direction; /* 设置 SPI 的单双向模式 */
	uint16_t SPI_Mode; /* 设置 SPI 的主/从机端模式 */
	uint16_t SPI_DataSize; /* 设置 SPI 的数据帧长度，可选 8/16 位 */
	uint16_t SPI_CPOL; /* 设置时钟极性 CPOL，可选高/低电平 */
	uint16_t SPI_CPHA; /* 设置时钟相位，可选奇/偶数边沿采样 */
	uint16_t SPI_NSS; /* 设置 NSS 引脚由 SPI 硬件控制还是软件控制*/
	uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; /* 设置时钟分频因子，fpclk/分频数 =fSCK */
	uint16_t SPI_FirstBit; /* 设置 MSB/LSB 先行 */
	uint16_t SPI_CRCPolynomial; /* 设置 CRC 校验的表达式 */
} SPI_InitTypeDef;

(1) SPI_Direction

本成员设置 SPI 的通讯方向，可设置为双线全双工 (SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，双线只接(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，单线只接收 (SPI_Direction_1Line_Rx)、单线只发送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。

(2) SPI_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。

(3) SPI_DataSize

本成员可以选择 SPI 通讯的数据帧大小是为 8 位 (SPI_DataSize_8b) 还是 16 位 (SPI_DataSize_16b)。

(4) SPI_CPOL 和 SPI_CPHA

这两个成员配置 SPI 的时钟极性 CPOL 和时钟相位 CPHA，这两个配置影响到 SPI 的通讯模式，关于 CPOL 和 CPHA 的说明参考前面“通讯模式”小节。时钟极性 CPOL 成员，可设置为高电平 (SPI_CPOL_High) 或低电平 (SPI_CPOL_Low )。时 钟 相 位 CPHA 则 可 以 设 置 为 SPI_CPHA_1Edge(在 SCK 的 奇 数 边 沿 采 集 数 据) 或SPI_CPHA_2Edge(在 SCK 的偶数边沿采集数据) 。

(5) SPI_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) SPI_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) SPI_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) 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。

配置完这些结构体成员后，我们要调用 SPI_Init 函数把这些参数写入到寄存器中，实现 SPI 的初始化，然后调用 SPI_Cmd 来使能 SPI 外设。