STM32单片机SPI总线通信：高速串行数据传输的实战指南

# 1. STM32单片机SPI总线简介

**1.1 SPI总线概述**

串行外围接口（SPI）是一种同步串行通信总线，广泛应用于嵌入式系统中。它允许主设备与一个或多个从设备进行全双工通信。SPI总线具有简单、低成本、高可靠性的特点，适用于数据量较小、传输速率要求不高的场合。

**1.2 STM32单片机SPI总线特性**

STM32单片机集成了多个SPI控制器，支持全双工通信、主从模式切换、DMA传输和中断处理等特性。SPI总线控制器提供灵活的配置选项，包括时钟速率、数据格式和通信模式，可以满足不同的应用需求。

# 2. SPI总线通信理论基础

### 2.1 SPI总线的工作原理和协议

SPI总线是一种同步串行通信协议，它使用四条信号线进行通信：

- **SCLK (串行时钟)**：由主设备提供，用于同步数据传输。
- **MOSI (主输出从输入)**：主设备输出数据到从设备。
- **MISO (主输入从输出)**：从设备输出数据到主设备。
- **SS (从片选)**：主设备使用该信号选择要通信的从设备。

SPI总线采用主从模式，其中一个设备（主设备）控制通信，而其他设备（从设备）响应主设备的请求。通信过程如下：

1. 主设备将SS信号拉低，选择要通信的从设备。
2. 主设备发送SCLK时钟信号。
3. 主设备在SCLK的上升沿输出数据到MOSI线。
4. 从设备在SCLK的下降沿将数据输入到MISO线。
5. 主设备在SCLK的上升沿读取MISO线上的数据。
6. 主设备将SS信号拉高，结束通信。

### 2.2 SPI总线的数据格式和时序

SPI总线的数据格式可以是8位、16位或32位。最常见的格式是8位，其中每个字节在SCLK的8个时钟周期内传输。

SPI总线的数据时序由以下参数定义：

- **CPOL (时钟极性)**：定义SCLK信号的空闲状态电平。0表示空闲时为低电平，1表示空闲时为高电平。
- **CPHA (时钟相位)**：定义数据在SCLK时钟沿的采样时刻。0表示在SCLK的上升沿采样，1表示在SCLK的下降沿采样。
- **数据位序**：定义数据在MOSI和MISO线上的传输顺序。MSB优先表示数据从最高有效位开始传输，LSB优先表示数据从最低有效位开始传输。

### 2.3 SPI总线的主从模式和通信流程

SPI总线的主从模式由硬件配置决定。主设备负责生成SCLK时钟信号和控制SS信号，而从设备响应主设备的请求并提供数据。

SPI总线通信流程如下：

1. **主设备初始化**：主设备配置SPI总线硬件，包括时钟速率、数据格式和时序。
2. **从设备初始化**：从设备配置SPI总线硬件，响应主设备的请求。
3. **主设备选择从设备**：主设备将SS信号拉低，选择要通信的从设备。
4. **数据传输**：主设备发送数据到MOSI线，从设备从MISO线接收数据。
5. **通信结束**：主设备将SS信号拉高，结束通信。

**代码块：**

// 主设备初始化
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
SPI_InitStruct.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
SPI_InitStruct.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
SPI_InitStruct.CLKPhase = SPI_CLKPHASE_2EDGE;
SPI_InitStruct.CLKPolarity = SPI_CLKPOLARITY_LOW;
SPI_InitStruct.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
SPI_InitStruct.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
SPI_InitStruct.NSS = SPI_NSS_SOFT;
SPI_InitStruct.Mode = SPI_MODE_MASTER;
HAL_SPI_Init(&hspi1, &SPI_InitStruct);

// 从设备初始化
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
SPI_InitStruct.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
SPI_InitStruct.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
SPI_InitStruct.CLKPhase = SPI_CLKPHASE_2EDGE;
SPI_InitStruct.CLKPolarity = SPI_CLKPOLARITY_LOW;
SPI_InitStruct.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
SPI_InitStruct.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
SPI_InitStruct.NSS = SPI_NSS_SOFT;
SPI_InitStruct.Mode = SPI_MODE_SLAVE;
HAL_SPI_Init(&hspi1, &SPI_InitStruct);

**逻辑分析：**

这段代码分别初始化了主设备和从设备的SPI总线硬件。主设备配置为MSB优先、256分频、2线双向模式、低电平空闲时钟极性和上升沿采样时钟相位。从设备配置与主设备类似，但模式为从设备模式。

**参数说明：**

- `SPI_BAUDRATEPRESCALER_256`：将SCLK时钟速率分频为256分之一。
- `SPI_DIRECTION_2LINES`：配置SPI总线为2线双向模式。
- `SPI_CLKPHASE_2EDGE`：配置时钟相位为下降沿采样。
- `SPI_CLKPOLARITY_LOW`：配置时钟极性为空闲时低电平。
- `SPI_DATASIZE_8BIT`：配置数据格式为8位。
- `SPI_FIRSTBIT_MSB`：配置数据位序为MSB优先。
- `SPI_NSS_SOFT`：配置从片选信号由软件控制。
- `SPI_MODE_MASTER`：配置主设备模式。
- `SPI_MODE_SLAVE`：配置从设备模式。

# 3.1 STM32单片机SPI总线硬件架构

STM32单片机集成了一个或多个SPI外设，每个SPI外设都包含一个独立的发送和接收缓冲区，以及一个可配置的时钟发生器。SPI外设可以通过以下引脚与外部设备通信：

- **MOSI（主输出从输入）：**主设备用于向从设备发送数据的引脚。
- **MISO（主输入从输出）：**从设备用于向主设备发送数据的引脚。
- **SCK（串行时钟）：**主设备用于同步数据传输的