STM32单片机入门学习——第36节: [11-1] SPI通信协议

写这个文章是用来学习的,记录一下我的学习过程。希望我能一直坚持下去,我只是一个小白,只是想好好学习,我知道这会很难，但我还是想去做！

本文写于：2025.04.14

前言

   本次笔记是用来记录我的学习过程,同时把我需要的困难和思考记下来,有助于我的学习，同时也作为一种习惯,可以督促我学习,是一个激励自己的过程,让我们开始32单片机的学习之路。
   欢迎大家给我提意见,能给我的嵌入式之旅提供方向和路线，现在作为小白,我就先学习32单片机了,就跟着B站上的江协科技开始学习了.
   在这里会记录下江协科技32单片机开发板的配套视频教程所作的实验和学习笔记内容，因为我之前有一个开发板,我大概率会用我的板子模仿着来做.让我们一起加油！
   另外为了增强我的学习效果：每次笔记把我不知道或者问题在后面提出来,再下一篇开头作为解答！

开发板说明

   本人采用的是慧净的开发板,因为这个板子是我N年前就买的板子,索性就拿来用了。另外我也购买了江科大的学习套间。
   原理图如下
1、开发板原理图

2、STM32F103C6和51对比

3、STM32F103C6核心板

视频中的都用这个开发板来实现,如果有资源就利用起来。另外也计划实现江协科技的套件。

下图是实物图

引用

【STM32入门教程-2023版 细致讲解 中文字幕】
还参考了下图中的书籍:
STM32库开发实战指南：基于STM32F103（第2版）

数据手册

解答和科普

一、SPI通信硬件

SPI和I2C协议差不多，两个协议的设计目的都一样，都是实现主控芯片和各种外挂芯片之间的数据交流，有了数据交流的能力，主控芯片就可以挂载并操纵各式各样的外部芯片，来实现一个功能更加强大的控制系统。
学习SPI协议的软硬件规定，先用软件模拟的SPI，实现读写这个W25Q64 Flash存储器，之后，再学习STM32中的SPI外设，再用硬件SPI，实现同样的功能。
W25Q64 Flash存储器，内部可以存储8M字节的数据，并且掉电不丢失。

SPI通用数据总线，也都是用于主控和外挂芯片之间的通信，应用领域非常相似。
可以发现，I2C，无论是硬件电路，还是软件时序，设计都是相对比较复杂的，硬件上，我们要配置为开漏外加上拉的模式，软件上，有很多功能和要求，比如一根通信线兼顾数据收发，应答位的收发，寻址机制的设计等等，最终通过这么多的设计，使得I2C通信的性价比非常高，I2C可以在消耗最低硬件资源的情况下，实现最多的功能。在硬件上，无论挂载多少设备，都只需要两根通信线，在软件上，数据双向通信、应答位，都可以实现。I2C就属于精打细算，思维灵活这类型的人，既要实现硬件上最少的通信线，又要实现软件上最多的功能。由于I2C开漏外加上拉电阻的电路结构，使得通信线高电平的驱动能力比较弱，这就会导致，通信线由低电平变到高电平的时候，这个上升沿耗时比较长，这会限制I2C的最大通信速度，所以I2C的标准模式，只有100Khz的时钟频率，I2C的快速模式，也只有400Khz，虽然I2C协议之后又通过改进电路的方式，设计出了高速模式，可以达到3.4Mhz，但是高速模式目前普及程度不是很高，所以我们认为I2C的时钟速度最多是400 Khz，这个速度相比较SPI而言，还是慢了很多的。

首先SPI传输更快，SPI协议并没有严格规定最大传输速度，这个最大传输速度取决于芯片厂商的设计需求，比如W25Q64 Flash存储器，手册里写的SPI时钟频率，最大可达80Mhz，这比STM32F1主频还要高，其次SPI的设计比较简单粗暴，实现的功能没有I2C那么多，所以学习起来，SPI还是比I2C简单很多的。最后SPI的硬件开销比较大，通信线的个数比较多。并且通信过程中，经常会有资源浪费的现象，SPI属于富家子弟、有钱任性这类型的人，SPI说，我不在乎我花了多少钱，我只在乎我的任务有没有最简单，最快速的完成，这就是SPI的风格。

四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）。
同步，全双工：首先，既然是同步时序，肯定就得有时钟线了，所以这个SCK引脚，就是用来提供时钟信号的，数据位的输出和输入，都是在SCK的上升沿或下降沿进行的，这样数据位的收发时刻就可以明确的确定，并且，同步时序，时钟快点慢点，或者中途暂停一会，都是没问题的，这就是同步时序的好处，那对照I2C总线，这个SCK，就相当于I2C的SCL，两者作用相同，之后，SPI是全双工的协议，全双工是什么意识，就是数据发送和数据接收单独各占一条线，发送用发送的线路，接收用接收的线路，两者互不影响，所以这里MOSI和MISO，就是分别用于发送和接收的两条线路，MOSI是主机输出从机输入，如过是主机接在这条线上，那就是MO，主机输出，如果是从机接在这条线上，就是SI，从机输入；意思就是一条通信线，如果主机接在上面配置为输出，那从机肯定得配置为输入，才能接受主机的数据对吧，主机和从机不能同时配置为输入或输出，要不然就没法通信了，所以这条MOSI，就是主机向从机发送数据的线路；同理，MISO就是主机从从机接收数据的线路，这就是全双工通信的两根通信线，这两根通信线，加在一起，就相当于I2C总线的SDA,当然I2C是一根线兼具发送和接收，是半双工，这里SPI是一根发送，一根接收，是全双工，全双工的好处就是简单高效，输出线就一直输出，输入线就一直输入，数据流的方向不会改变，也不用担心发送和接收没协调好冲突了，但是坏处就是多了一根线，会有通信资源的浪费，这就是全双工。
支持总线挂载多设备（一主多从），SPI从功能上，没有I2C强大，I2C实现一主多从的方式是，在起始条件后，主机必须先发送一个字节进行寻址，用来指定我要跟那个从机进行通信，所以I2C这里，要涉及分配地址和寻址的问题，但是SPI表示，你这太麻烦了，再开辟一条通信线，专门用来指定我要跟那个从机进行通信，所以这条专门用来指定从机的通信线，就是这里的SS，从机选择线，指定地址就是用SS。SPI没有应答机制的设计，发送数据就发送，接收数据就接收，至于对面是不是存在，SPI是不管的。CLK就是SCK,显然这个接在STM32上，应该是从机，这里的DI数据输入，就是从机的数据输入SI，对应需要接在主机的MO上，所以这里的DI就是MOSI,DO就是MISO了。CS就是SS，从机选择。
2.4G无线通信模块，芯片型号是NRF24L01,这个芯片就是SPI通信协议，那就需要SPI，来读写这个芯片，SD卡，官方的通信协议是SDIO，但是也是支持SPI协议的。可以利用SPI，对这个SD卡进行读写操作。
左边这个电路，是SPI主机，主导整个SPI总线，主机，一般都是控制器来作，比如STM32,下面这里，SPI从机123,就是挂载在主机上的从设备了，左边SPI主机实际上引出了6根通信线，因为有3个从机，所以SS线需要3根，再加SCK、MOSI、MISO，就是6根通信线，当然SPI所有通信线都是单端信号，它们的高低电平都是相对GND的电压差，所以单端信号，所有的设备还需要共地，这里GND的线没画出来，但是是必须要接的，然后从机没有单独供电的话，主机还需要再额外引出电源正极VCC，给从机供电。
首先,SCK，时钟线，时钟线完全由主机掌控，所以对于主机来说，时钟线为输出，对于所有从机来说，时钟线都为输入， 这样主机的同步时钟，就能送到各个从机了；MOSI,主机输出从机输入，数据传输方向是，主机通过MOSI输出，所有从机通过MOSI输入；MISO,主机输入从机输出，数据传输方向是，三个从机通过MISO输出，主机通过MISO输入；
从机选择；为了确定通信的目标，主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚，主机的SS线都是输出，从机的SS线都是输入，SS线低电平有效，主机想指定谁，就把对应的SS输出线置低电平就行了。主机想和1通信了，就把SS1线输出低电平，这样从机1就知道，主机在找我。然后主机在数据引脚进行的传输，就只有从机1响应，其他从机的SS线都是高电平，所以它们都会保持沉默，当主机和从机1通信完成后，就会把SS1置回高电平，这样从机1就知道了，主机结束了和我的通信，之后主机需要和从机2和从机3通信时，也是同理。只选中一个从机。

输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入。
推挽输出，高低电平均有很强的驱动能力，这将使得SPI引脚信号的下降沿，非常迅速，上升沿也非常迅速，得益于推挽输出的驱动能力。SPI信号变化的快，那自然他就能达到更高的传输速度，一般SPI信号都能轻松达到Mhz的速度级别。然后这里并不是I2C不想使用更快的推挽输出，而是I2C要实现半双工，经常要切换输入输出，另外I2C又要实现多主机的时钟同步和总线仲裁，这些功能，都不允许I2C使用推挽输出，要不然一不小心，就电源短路了，所以I2C选择了更多的功能，自然要放弃更强的性能了。对于SPI来说，首先SPI不支持多主机，然后SPI又是全双工，SPI的输出引脚始终是输出，输入引脚始终是输入，基本不会出现冲突，所以SPI可以大胆地使用推挽输出，不过,SPI还是有一个冲突点的，就是图上的MISO引脚，主机一个是输入，但是三个从机全都是输出，如果三个主机都始终是推挽输出，势必会导致冲突，所以在SPI协议，有一条规定，就是当从机SS引脚为高电平，也就是从机未被选中时，它的MISO引脚，必须切换为高阻态，高阻态就相当于引脚断开，不输出任何电平，这样就可以防止，一条线有多个输出，而导致的电平冲突的问题了。都是从机进行的，我们主机的程序中，并不需要关注这个问题。

这个移位示意图是SPI硬件电路设计的核心，左边是SPI主机，里面有一个8位的移位寄存器，右边是SPI从机，里面也有一个8位的移位寄存器，这里移位寄存器有一个时钟输入端，因为SPI一般都是高位先行的，所以每来一个时钟，移位寄存器都会向左进行移位，从机种的移位寄存器也是同理，然后，移位寄存器的时钟源，是由主机提供的，这里叫做波特率发生器，它产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位，同时，这个时钟也通过SCK引脚进行输出，接到从机的移位寄存器里，之后，上面移位寄存器的接法是，主机移位寄存器左边移出去的数据，通过MOSI引脚，输入到从机移位寄存器的右边，从机移位寄存器左边移出去的数据，通过MISO引脚，输入到主机移位寄存器的右边，这样组成一个圈。

演示一下电路如何工作，首先，规定波特率发生器时钟的上升沿，所有移位寄存器向左移动一位，移出去的位放到引脚上，波特率发生器时钟的下降沿，引脚上的位，采样输入到移位寄存器的最低位，接下来假设有个数据10101010要发送给从机，同时从机有关数据01010101要发送到主机，那我们就可以驱动时钟，先产生一个上升沿，这时所有的位，就会像这样，往左移动一次，那从从高位移出去的数据，就会放到通信线上，数据放在通信线上，实际上是放到了输出数据寄存器，可以看到此时MOSI的数据是1，所以MOSI的电平就是高电平，MISO是0，所以是低电平。这就是第一个时钟上升沿的结果。就是把主机和从机中，移位寄存器的最高位，分别放在MOSI和MISO的通信线上，这就是数据的输出。

之后，时钟继续运行，上升沿之后，下一个边沿就是下降沿，下降沿时，主机和从机内，都会进行数据采样输入，也就是MOSI的1，会采样输入到从机这里的最低位，MISO的0，会采样输入到主机这里的最低位，这就是一个时钟结束后的结果。同理下一个时钟沿来临。

最终8个时钟之后，这里原来主机里的1010 1010，跑到从机里了，原来从机里的01010101跑到主机里了，这就实现了，主机和从机一个字节的数据交换，实际上，SPI的运行过程就是这样，SPI的数据收发，都是基于字节交换，这个基本单元来进行的。当主机需要发送一个字节，并且同时需要接受一个字节时，就可以执行一下自己交换的时序，这样，主机要发送的数据，跑到从机，主机要从从机接收的数据跑到主机，这就完成了发送的同时接收的目的。

如果只想发送，不想接收怎么办，其实很简单，仍然调佣交换字节的时序，发送，同时接收，只是，这个接收到的数据，不看他就行了，如果只想接收，不想发送，怎么办，同理还是调用交换字节的时序，发送，同时接收，只是 ，我们会随便发送一个数据，只要能把从机数据置换过来就行了，我们读取置换过来的数据，不就是接收了吗。从机也不会看发过去的数据。一般接收的时候，统一发0X00,0XFF，去跟从机换数据。
SPI通信的基础是交换一个字节，有了交换一个字节，就可以实现，发送一个字节，接收一个字节，和发送同时接收一个字节，这三种功能。可以看出，SPI在只执行发送和只执行接收的时候，会存在资源浪费的现象。

二、SPI通信软件

首先，是SPI的起始和终止。
起始条件是：SS从高电平切换到低电平，SS是低电平有效的，那SS从高变低，代表刚选中某个从机了，这就是通信的开始。
终止条件：SS从低电平切换到高电平，就是结束了从机选中状态。
那在从机的整个选中状态中，要始终保持低电平。

CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平，CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据。
在SS未被选中时，SCK默认是低电平的，在通信过程中，SS始终保持低电平，通信结束SS恢复高电平。
MISO,主机输入，从机输出，因为有多个从机输出连在一起，如果同时开启输出，会造成冲突，所以，解决方法是在SS未被选中时，从机的MISO引脚必须关断输出，即配置输出为高阻态，在这里,SS高电平，MISO用一条中间的线，表示高阻态，SS下降沿之后，从机的MISO被允许开启输出，SS上升沿之后，从机的MISO必须置回高阻态。
SCK第一个边沿，就是上升沿，主机和从机同时移出数据，主机通过MOSI移出最高位，此时MOSI的电平就表示了主机要发送数据的B7,从机通过MISO移出最高位，此时MISO表示从机要发送数据的B7,然后时钟运行，产生下降沿，此时主机和从机同时移入数据，也就是进行数据采样，这里主机移出的B7，进入从机移位寄存器的最低位，从机移出的B7位，进入主机移位寄存器的最低位，这样一个时钟脉冲完成，一个数据传输完毕。接下来是同样的过程。如果主机只想交换一个字节，那这个时候就可以置SS为高电平，结束通信了。在SS的上升沿，MOSI还可以再变化一次，将MOSI置到一个默认的高电平或低电平。当然也可以不去管它。MISO从机必须置回高阻态。如果多个就不要置SS，重复前面的时序。

SCK第一个边沿之前，就要提前开始移出数据了，或者称作第0个边沿移出，第一个边沿移入。SS下降沿 就要立刻触发移位移出。模式0把这个数据变化的时机提前了，可以认为在SS的下降沿，立刻移位出来，相当于提前了。


CPHA表示的是时钟相位，决定是第一个时钟采样移入还是第二个时钟采样移入，并不是规定上升沿采样还是下降沿采样的，当然在CPOL确定的情况下，CPHA确实会改变采样时刻的上升沿河下降沿。 模式0和模式3都是SCK上升沿采样，模式1和模式2，都是SCK下降沿采样，这就是时序基本单元。

在SPI中，通常采用的是指令码加读写数据的模型，这个过程就是，SPI起始后，第一个交换发送给从机的数据，一般叫做指令码，在从机中对应的会定义一个指令集，第一个字节发送指令集里面的数据，这样就能指导从机完成相应的功能了。有的指令，后面就需要再跟要读写的数据，写数据，指令后面就得跟上，我要在哪里写，我要写什么，读数据，指令后面就得跟上，我要在哪里读，我读到的是什么。在SPI从机的芯片手册里，都会定义好指令集。什么指令对应什么功能，什么指令，后面得跟上什么数据。

在这代表的是写使能，在SS的下降沿时刻，MOSI和MISO就用变换数据了，MOSI由于指令码的最高位仍然是0，所以这里保持低电平不变，MISO，从机现在还没有数据发给主机，引脚电平没有变化，实际上W25Q64不需要回传数据时，手册里规定的是MISO仍然为高阻态，从机并没有开启输出，因为STM32的 MISO是上拉输入，所以这里的MISO呈现高电平。

因为是软件模拟的，所以MOSI的数据变化有些延迟，没有紧贴SCK的下降沿，不过也没关系，时钟是主机控制的，只要在下一个SCK上升沿之前完成变化就行了。然后SCK上升沿，数据采样输入，在最后一位，下降沿，数据变化，MOSI变为0，上升沿，数据采样，从机接收数据0，SCK低电平时变化的时期，高电平是读取的时期。只需要一个字节，所以最后，在SCK下降沿之后，SS置回高电平，结束通信。
主机用0x06换来了从机的0x FF,当然实际上从机没有输出，这个0x FF是默认的高电平。不过我们不用管，没有意义，整个时序的功能，就是发送指令，指令码是0x06，从机一比对事先定义好的指令集，发现0x06是写使能的指令，那从机就会控制硬件，进行写使能，这样一个指令从发送到执行，就完成了，这就是发送单字节指令的时序。

首先,SS下降沿开始时序，这里MOSI空闲时是高电平，所以在下降沿之后，SCK第一个时钟之前，可以看到，MOSI交换数据，由高电平变为低电平，然后SCK上升沿，数据采样输入，后面还是一样，下降沿变换数据，上升沿采样数据，8个时钟之后，一个字节交换完成。还需呀交换数据，所以在这个下降沿，要把下一个字节的最高位放到MOSI上。通过3个字节的交换，24位地址就发送完毕了，就要发送写入指定地址的内容了，发送了0x 55，这就表示，要在0x123456地址下，写入0x55这个数据，最后如果只想写入一个数据的话，就可以置SS高电平，结束通信了。当然也可以继续发送，SPI里，也会有和I2C一样的地址指针，每读写一个字节，地址指针自动加1，继续发送的字节就会依次写入到后续的存储空间里，这样就可以实现从指定地址开始，写入多个字节了。MISO属于挂机的状态。

3个字节地址交换完成后，我们要把从机的数据搞过来，还是交换一个数据，来个抛砖引玉，随便给从机一个数据，给FF就行，这时从机就会，把0X123456地址下的数据通过MISO发给主机，这样主机就实现了指定地址读一个字节的目的，如果继续抛砖引玉，那从机内部的地址指针自动加1，从机就会继续把指定地址下一个为止的数据发过来，这样依次进行，就可以实现指定地址接收多个字节的目的了，然后最后，数据传输完毕，SS置回高电平，时序结束。
由于MISO是从机硬件控制的，所以他的数据变化，都可以紧贴时钟的下降沿，另外可以看到，MISO数据的最高位，实际上是在上一个字节，最后一个下降沿，提前发生的，因为这是SPI模式0，所以数据变化都要提前半个周期。

问题

总结

本节课主要学了SPI的硬件原理和软件时序的过程。