STM32单片机SPI总线精解：高速串行通信原理与应用详解

# 1. STM32单片机SPI总线概述**

STM32单片机集成了SPI（串行外设接口）总线，是一种全双工、同步串行通信总线，广泛应用于嵌入式系统中。SPI总线具有以下特点：

* **高速传输：**支持高达数十MHz的数据传输速率。
* **低引脚数：**仅需四根信号线（SCLK、MOSI、MISO、SS）。
* **灵活配置：**可配置为主机或从机模式，支持多种数据格式和时钟极性/相位。

# 2. SPI总线通信原理

### 2.1 SPI总线架构和信号时序

SPI总线是一种同步串行通信总线，由主设备和一个或多个从设备组成。主设备负责控制总线，发送时钟信号并发起数据传输。从设备被动响应主设备的控制，接收时钟信号并根据时钟信号传输数据。

SPI总线采用四线制通信，包括以下四条信号线：

- **SCK (Serial Clock)**：主设备输出的时钟信号，用于同步数据传输。
- **MOSI (Master Out, Slave In)**：主设备输出数据到从设备的信号线。
- **MISO (Master In, Slave Out)**：从设备输出数据到主设备的信号线。
- **SS (Slave Select)**：主设备用来选择要通信的从设备的信号线。

SPI总线通信时序分为两种模式：**模式0**和**模式1**。两种模式的区别在于时钟信号的极性和相位。

- **模式0**：时钟信号的极性为低电平，相位为上升沿采样数据。
- **模式1**：时钟信号的极性为高电平，相位为下降沿采样数据。

### 2.2 SPI总线传输模式和数据格式

SPI总线支持两种数据传输模式：**全双工模式**和**半双工模式**。

- **全双工模式**：主设备和从设备同时发送和接收数据。
- **半双工模式**：主设备和从设备交替发送和接收数据。

SPI总线的数据格式可以是**8位**或**16位**。8位数据格式表示一次传输8个比特位，16位数据格式表示一次传输16个比特位。

### 2.3 SPI总线时钟和数据速率

SPI总线时钟频率由主设备决定，可以根据实际需要进行配置。数据速率由时钟频率和数据格式决定。

**数据速率 = 时钟频率 / 数据格式**

例如，对于8位数据格式，时钟频率为1MHz，则数据速率为1MHz / 8 = 125kbps。

**代码块：**

// 配置SPI总线时钟频率为1MHz
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8;
SPI_Init(&SPI_InitStructure);

**逻辑分析：**

该代码块配置SPI总线时钟频率为1MHz。`SPI_BAUDRATEPRESCALER_8`表示时钟预分频系数为8，即时钟频率为系统时钟频率的1/8。

**参数说明：**

- `SPI_InitTypeDef`：SPI总线初始化结构体。
- `SPI_BaudRatePrescaler`：时钟预分频系数。

# 3. STM32单片机SPI总线编程**

### 3.1 SPI总线寄存器和配置

STM32单片机中，SPI总线相关的寄存器主要分布在SPIx_CR1、SPIx_CR2和SPIx_SR寄存器中。其中：

- SPIx_CR1寄存器：控制SPI总线的基本功能，包括数据大小、传输模式、时钟极性和相位等。
- SPIx_CR2寄存器：控制SPI总线的附加功能，如NSS信号极性、中断使能等。
- SPIx_SR寄存器：反映SPI总线的状态，包括发送缓冲区为空、接收缓冲区满等标志位。

**SPIx_CR1寄存器**

| 字段 | 说明 |
|---|---|
| BR | 波特率预分频系数 |
| MSTR | 主/从模式选择 |
| CPOL | 时钟极性 |
| CPHA | 时钟相位 |
| DFF | 数据帧格式 |
| LSBFIRST | 数据位序 |
| SPE | SPI总线使能 |

**SPIx_CR2寄存器**

| 字段 | 说明 |
|---|---|
| DS | 数据大小 |
| FRF | 数据帧格式 |
| SSOE | NSS输出使能 |
| NSSP | NSS极性 |
| TXEIE | 发送缓冲区为空中断使能 |
| RXNEIE | 接收缓冲区满中断使能 |
| ERRIE | 错误中断使能 |

**SPIx_SR寄存器**

| 字段 | 说明 |
|---|---|
| RXNE | 接收缓冲区满标志 |
| TXE | 发送缓冲区为空标志 |
| BSY | SPI总线忙标志 |
| OVR | 数据溢出标志 |
| MODF | 模式故障标志 |
| CRCERR | CRC错误标志 |

### 3.2 SPI总线数据传输函数

STM32单片机提供了丰富的SPI总线数据传输函数，包括：

- **HAL_SPI_Transmit()**：发送数据。
- **HAL_SPI_Receive()**：接收数据。
- **HAL_SPI_TransmitReceive()**：同时发送和接收数据。
- **HAL_SPI_Transmit_DMA()**：使用DMA传输发送数据。
- **HAL_SPI_Receive_DMA()**：使用DMA传输接收数据。

这些函数的参数和使用方式如下：

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);
HAL_StatusT