自学STM32 – SPI同步串行通信

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作者：junziyang

（注：如非特別声明，以下笔记内容均针对STM32F103ZET6而言。不同型号，细节可能存在差别。）

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一、SPI接口简介

SPI是Serial Peripheral Interface的缩写，即串行外设接口。通过SPI接口可以与外设进行半/全双工、同步、串行通信。SPI支持双向通信且最多只需要四根线，有利于节省芯片管脚和PCB板上的空间。与USART异步通信不同，SPI是一种同步通信方式，由主机提供通信时钟（SCK），主从机在SCK同步下工作。SPI支持CRC校验，以提高通信的可靠性。SPI通信常用于主机与多个从机间的同步通信。

注意：

• 在STM32的high-density、XL-density和Connectivity line系列芯片中，SPI接口可支持SPI协议或I2S音频协议。默认情况下实现的是SPI协议，但通过软件可以将该接口切换到I2S。
• 由于JTAG调试接口占用了SPI3/I2S3的部分引脚，配置SPI3/I2S3之前需要停用JTAG接口，如需调试接口，可以改为SWD接口。

二、SPI工作原理

任何外设的功能实现都是通过操作专用寄存器实现的。STM32为SPI配置了9个32bit的寄存器，寄存器名称、地址分配及复位值表如图1所示。在后续的学习中会经常提到相关的配置位，可参考图1.

图1. SPI寄存器地址分配与复位值表

这9个寄存器中，用于SPI接口的实际只有7个，最后两个用来配置I2S的功能。

2.1 原理框图

图2. SPI原理框图

SPI框图如图2所示。最左侧是SPI的4个引脚，用来连接外部设备，各引脚功能如下：

• MISO（Master In / Slave Out）：主入从出数据引脚。主模式下作为数据输入（接收）端，从模式下作为数据输出（发送）端。
• MOSI（Master Out / Slave In）：主出从入数据引脚。主模式下作为数据输出（发送）端，从模式下作为数据输入（接收）端。
• SCK（Serial Clock）：同步时钟引脚。SPI是一种同步通信方式，主模式下，由此引脚输出通信时钟；从模式下，由此引脚输入通信时钟。
• NSS（Slave Select）：片选引脚。这是一个可选引脚，可输入和输出，通过SPI_CR2的SSOE位配置。当有多个从机时，主机和所有从机的NSS引脚连接在一起，主机通过NSS引脚选择与之单独通信的从机，以避免数据线上的冲突。通过将主机SPI的SSOE置1，可将其NSS引脚电平拉低。这样，所有连到该引脚的其他设备的NSS引脚就会收到低电平。其中被配置为NSS硬件模式（SPI_CR1的SSM=0）的设备，NSS引脚收到低电平后会变为从机。NSS被配置为输入的主模式SPI（MSTR=1且SSOE=0），如果NSS被拉低，则进入主模式故障状态：MSTR位被清除，也会自动由主模式切换为从模式。

图3. 单主机单从机互联示意图

图3所示是单个主机与单个从机互联示意图。同名引脚连接到一起（输入接输出），这样可以实现主从设备间数据的串行传输。若NSS由软件管理，则无需连接。

通信由主机发起，通过MOSI引脚将数据发送到从机，从机则通过MISO引脚进行应答。这样，在主机SCK引脚提供的通信时钟信号的同步下，实现了数据的同时接收和发送，即全双工通信。在不用NSS的情况下，SPI仅需3条线，即可实现全双工通信。

2.2 从机选择（NSS）

在存在多个从机的情况下，从机选择可以通过硬件或软件方式实现，通过SPI_CR1寄存器的SSM（Software Slave Management ）位配置。

1. 软件NSS管理（SSM=1）

软件模式下，通过设置SPI_CR1寄存器SSI位的值来选择从机。软件模式下NSS引脚闲置，可以用于其他目的。

2. 硬件NSS管理（SSM=0）

硬件模式下，根据NSS输出配置的不同（即SSOE位的值），有两种方案：

(1) NSS输出使能（SSM=0，SSOE=1）

此方案仅适用于处于主模式的设备。开始通信时，主机将NSS引脚被拉低并一直保持，直至通信结束。这样NSS引脚与主机NSS引脚相连的所有设备都被设为从机。

(2) NSS输出关闭（SSM=0，SSOE=0）

此方案对处于主模式和从模式的设备均适用，但有不同的影响：

• 对处于主模式的设备，赋予其多主能力；
• 对于处于从模式的设备，NSS引脚仍执行典型的NSS输入，即NSS为低电平时，从机被选中；NSS为高电平时，从机被取消选中。

2.3 时钟相位与极性

SPI传输数据是在时钟的同步下实现的，每个时钟脉冲传输1个bit。为了适应不同设备SPI接口的收发规则，STM32的SPI接口可以通过软件配置出四种可能的时序关系。配置方法是设置SPI_CR1寄存器的CPOL和CPHA位：

• CPOL（clock polarity）位控制无数据传输时SCK引脚的电平（闲时电平）。若CPOL=0，空闲时SCK引脚为低电平；若CPOL=1，空闲时SCK引脚为高电平。该位在主模式和从模式下均有效。
• CPHA（clock phase）位控制在时钟脉冲的第几个边沿进行数据采样。若CPHA=1，在时钟信号的第2个边沿（CPOL=0时为下降沿，CPOL=1时为上升沿）启动MSB位捕获。即，SCK引脚出现第2次时钟电平转换时锁存数据；若CPHA=0，则在时钟信号的第1个边沿（CPOL=0时为上升沿，CPOL=1时为下降沿）启动MSB位捕获。即，SCK引脚出现第1次时钟电平转换时，锁存数据。

图4. SPI四种时序关系示意图

图4所示为4种时序关系的示意图。实践中需要按照SPI从设备的时钟要求进行配置，因为从设备的协议在出厂时就设置好了，且一般不可配置。通信双方在时钟脉冲的一个边缘发送，另一个边沿接收。

2.4 数据帧格式

数据从SPI_DR寄存器中移出时，既可以MSB优先，也可以LSB优先。通过SPI_CR1寄存器的LSBFRST位进行设置：LSBFRST=0，高位优先；LSBFRST=1，低位优先。图4所示为高位优先的时序。

数据帧的长度可以为8位或16位，由SPI_CR1寄存器的DFF位进行设置。数据帧格式选定后，发送和接收都按此格式。

三、SPI工作模式配置

SPI不仅支持主/从模式、全/半双工模式，主、从机还可只接收或只发送。根据需要可以配置出多达8种工作模式。如图5所示。

图5. STM32CubeIDE中SPI可模式和参数设置选项

不同的模式是通过配置SPI_CR1寄存器来实现的。下面分别说明这些模式的设置方法和工作过程。

3.1 将SPI配置为从模式

在从模式下，SPI在主机时钟的同步下工作，从SCK引脚接收来自主机的时钟。数据传输速率由主机中的设置决定，从机的数据速率设置（SPI_CR1寄存器BR[2:0]位）无效。从模式下，数据从MOSI引脚输入，从MISO引脚输出。

注意事项：

• 为了避免出现数据传输错误，建议在主机发送时钟前先使能从机。
• 在通信时钟的第一个边沿到来前，或正在进行的通信结束前，从机的数据寄存器都需要一定的准备时间。从机和主机使能前，通信时钟的极性必须稳定。

1. 配置步骤

按下述步骤配置SPI_CR1寄存器，可将SPI配置为从模式：

• 设置DFF位，选择数据格式：8位或16位；
• 设置CPOL和CPHA，配置时钟极性和相位。从机设置必须与主机一致；
• 设置SPI_CR1的LSBFIRST，配置帧格式（MSB/LSB优先）。从机设置必须与主机一致；
• 硬件模式下（SSM=0），在传输序列结束字节传输期间，NSS引脚必须为低电平；软件模式下，SPI_CR1寄存器中设置：SSM=1，SSI=0；
• SPI_CR1寄存器中设置：MSTR=0，SPE=1。前者设为从模式，后者使能SPI。

2. 发送过程

• 一个写周期中数据被并行载入Tx缓存（Tx buffer，参见图3左上角）。
• 第一个数据位发送出去后（从设备收到时钟信号，MOSI引脚上出现第一个数据位），剩余数据位被并行载入移位寄存器（Shift register）。
• 数据被移走后Tx缓存为空，SPI_SR寄存器的TXE （Tx buffer empty）被置1。如果设置了SPI_CR2中的TXEIE=1，则会产生中断。

3. 接收过程

对接收器，数据传输结束时：

• 移位寄存器中的数据被转移到Rx缓存中，SPI_SR寄存器的RXNE位被置1；
• 如果设置了RXNEIE位，则会产生中断。

接收器在接收到最后一个取样时钟边沿时，将移位寄存器中收到的数据移入Rx缓存。读SPI_DR寄存器时，返回的是Rx缓存中的数据，读取后会自动清除RXNE位。

3.2 将SPI配置为主模式

在主模式配置下，SCK引脚上发出串行时钟。主模式下，数据从MISO引脚输入，从MOSI引脚输出。

1. 配置步骤

按下述步骤配置SPI_CR1寄存器，可将SPI配置为主模式：。

• 设置SPI_CR1寄存器的BR[2:0]位，定义串行时钟SCK的波特率。波特率为fPCLK/2^(n+1)，其中n为BR位的值，n越大，波特率越低。fPCLK是SPI挂载到的外设总线的时钟频率；
• 设置CPOL和CPHA位，定义串行时钟极性和相位；
• 设置DFF位，定义数据格式：8位或16位；
• 设置SPI_CR1的LSBFIRST，定义帧格式（MSB/LSB优先）；
• 硬件模式下，如果输入模式中需要NSS引脚，在传输结束期间将NSS拉高；软件模式下，在SPI_CR1寄存器中设置：SSM=1，SSI=1。如果输出模式中需要NSS引脚，只需设置SSOE=1即可。
• SPI_CR1寄存器中设置：MSTR=1，SPE=1。如果NSS引脚连接到高电平，这两个位始终保持置1状态。

2. 发送过程

• 数据字节被写入Tx缓存；
• 在第1个bit发送期间，数据字节经由内部总线被并行载入移位寄存器，然后串行移出到MOSI引脚。高位优先还是低位优先由LSBFIRST位设置。
• 数据从Tx缓存被移入移位寄存器后，TXE位被置1。如果设置了TXEIE位，则会产生中断。

3. 接收过程

对接收器，数据传输结束时：

• 移位寄存器中的数据被转移到Rx缓存中，RXNE位被置1；
• 如果设置了RXNEIE位，则会产生中断。

接收器在接收到最后一个取样时钟边沿时，设置RXNE位，并将移位寄存器中收到的数据移入Rx缓存。读DR寄存器时，返回的是该缓存中的数据。读DR寄存器会自动清除RXNE位。

总结：

可以看出，主、从机发送和接收过程是一模一样的。配置过程也非常类似，只是主机需要配置波特率，而从机不用；从模式MSTR和SSI均为0，而主模式二者均为1。

发送一旦启动，只要有待发送数据被移入Tx缓存，发送过程会一直持续下去。需要注意的是，每次准备写入Tx缓存前，应确认TXE标志位是1。

注意事项：

当一个主机正在与多个从机通信时，如果需要在两次传输之间断开从机，可以配置一个GPIO来充当从机的NSS引脚并通过软件操控该引脚的电平进行切换。

3.3 将SPI配置为半双工通信

SPI可以工作于半双工模式，有两种配置方法：

• 1时钟线+1双向数据线
• 1时钟线+1单向数据线（单接收或单发送）

1. 1时钟线+1双向数据线（BIDIMODE=1）

将SPI_CR1寄存器的BIDIMODE位置1，即可开启这种模式。SCK引脚作为时钟，主机的MOSI或从机的MISO引脚作为数据通道。传输方向由SPI_CR1寄存器的BIDIOE位设置。BIDIOE=1，数据线作为输出端，反之则作为输入端。

2. 1时钟线+1单向数据线（BIDIMODE=0）

这种模式下，SPI可工作于单向发送或单向接收模式，由RXONLY位进行进一步配置。

1) 单向发送模式（BIDIMODE=0，RXONLY=0）

此模式与全双工模式类似：数据由发送引脚（主机的MOSI或从机的MISO）发送，闲置的接收引脚（主机的MISO或从机的MOSI）可用作GPIO。配置为单向发送模式的SPI，Rx缓存中没有发送的值，程序中忽略它即可。

2) 单向接收模式（BIDIMODE=0，RXONLY=1）

程序中将SPI的RXONLY位置1，将会关闭其输出功能。闲置的输出引脚（主机的MOSI或从机的MISO）可作为GPIO，用作其他目的。

按如下步骤配置和使能SPI，以启动单向接收模式通信：

• 主模式下，SPI使能后通信立即开始，清除SPE位后通信立即停止。该模式下无需读取SPI_SR寄存器的BSY标志位，来判断SPI是否正忙。只要SPI通信正在进行，该位一定为1。
• 从模式下，只要NSS被拉低（或软件模式下SSI被清除）且SCK仍在运行，SPI就会持续接收。

总结：

通过配置BIDIMODE、MSTR、BIDIOE和RXONLY这4个位，可配置出8中SPI工作模式：

• 全双工主机（BIDIMODE=0，RXONLY=0，MSTR=1）
• 全双工从机（BIDIMODE=0，RXONLY=0，MSTR=0）
• 半双工主机（BIDIMODE=1，BIDIOE=1，MSTR=1），双向模式-发送
• 半双工从机（BIDIMODE=1，BIDIOE=0，MSTR=0），双向模式-接收
• 单向发送主机（BIDIMODE=0，RXONLY=0，MSTR=1）
• 单向发送从机（BIDIMODE=0，RXONLY=0，MSTR=0）
• 单向接收主机（BIDIMODE=0，RXONLY=1，MSTR1）
• 单向接收从机（BIDIMODE=0，RXONLY=1，MSTR=0）

STM32CubeIDE中的配置界面如图5所示。

四、数据发送和接收过程

4.1 Rx和Tx缓存

如图3所示，SPI的收、发端内部各有一个缓存寄存器。传输过程中，接收端将接收到的数据先存入Rx缓存，发送端数据在被发送前也是先被存入Tx缓存。这两个内部缓存对外部程序不可见，程序中对SPI_DR的读操作，返回的是Rx缓存中的值；而对SPI_DR的写操作，则是将数据存入Tx缓存。

4.2 主模式下的启动顺序

1. 全双工模式（BIDIMODE=0，RXONLY=0）

• 数据写入SPI_DR寄存器（Tx buffer）时，开始传输。
• 在第1个bit传输期间，数据被从Tx buffer并行加载到移位寄存器，随后从MOSI引脚串行移出。
• 与此同时，MISO引脚上接收到的数据被串行移入移位寄存器，然后并行载入SPI_DR寄存器（Rx buffer）

2. 单向接收模式（BIDIMODE=0， RXONLY=1）

• 当SPE=1时，即可开始传输。
• 只有接收器被激活，MISO引脚上接收到的数据被串行移入移位寄存器，然后并行载入SPI_DR寄存器（Rx buffer）。

3. 双向模式-发送（BIDIMODE=1，BIDIOE=1）

• 数据写入SPI_DR寄存器（Tx buffer）时，即可开始传输。
• 在第1个bit传输期间，数据被从Tx buffer并行加载到移位寄存器，随后从MOSI引脚串行移出。
• 无数据被接收

4. 双向模式-接收（BIDIMODE=1，BIDIOE=0）

• 当SPE=1时，即可开始传输。
• MISO引脚上接收到的数据被串行移入移位寄存器，然后并行载入SPI_DR寄存器（Rx buffer）。
• 因发送器未被激活，所以MOSI引脚上无串行数据移出。

4.3 从模式下的启动顺序

1. 全双工模式（BIDIMODE=0，RXONLY=0）

• 从设备收到时钟信号且数据的第1个bit出现在MOSI引脚上时，开始传输。剩余bits被载入移位寄存器。
• 与此同时（在第1个bit传输期间），数据被从Tx buffer并行加载到移位寄存器，随后从MISO引脚串行移出。在SPI主设备启动传输前，待发送数据必须已由软件写入完毕。

2. 单向接收模式（BIDIMODE=0， RXONLY=1）

• 从设备收到时钟信号且数据的第1个bit出现在MOSI引脚上时，开始传输。剩余bits被载入移位寄存器。
• 因发送器未被激活，所以MISO引脚上无串行数据移出。

3. 双向模式-发送（BIDIMODE=1，BIDIOE=1）

• 从设备收到时钟信号且Tx buffer中的第1个bit从MISO引脚上被发送出去时，开始传输。
• 在第1个bit传输期间，数据被从Tx buffer并行加载到移位寄存器，随后从MISO引脚串行移出。在SPI主设备启动传输前，待发送数据必须已由软件写入完毕。
• 无数据被接收

4. 双向模式-接收（BIDIMODE=1，BIDIOE=0）

• 从设备收到时钟信号且第1个bit数据出现在MOSI引脚上时，开始传输。
• MOSI引脚上接收到的数据被串行移入移位寄存器，然后并行载入SPI_DR寄存器（Rx buffer）。
• 因发送器未被激活，所以MISO引脚上无串行数据移出。

总结：

SPI通信总有一个主设备和一个从设备，一方发送，另一方接收。从主设备来看，执行的就是“主模式下的启动顺序”，而从配对的从设备来看，则执行的是“从模式下的启动顺序”。只是观察的角度不同而已。

4.4 发送和接收数据的处理

发送过程中，当数据从Tx buffer被移入移位寄存器后，TXE标志位被置1。这说明Tx buffer已准备好接收下一次数据载入。如果设置了TXEIE位，会产生相应的中断。程序中拟向Tx buffer写入数据前，应确认TXE=1，否则会覆盖上一次写入的数据。向SPI_DR寄存器写入数据时（实际写入的是Tx buffer），会自动清除TXE位。

接收过程中，当数据从移位寄存器移入Rxbuffer时，在最后一个取样时钟边沿RXNE被置1。这说明，SPI_DR寄存器中的数据已经可以读取。如果设置了RXNEIE位，会产生相应的中断。读SPI_DR寄存器，即可清除RXNE位。

对某些配置，在最后一个数据传输期间，可以通过等待BSY标志位来确认传输完成。下面分不同的传输模式进行详述：

1. 主/从模式下的在全双工发送和接收过程（BIDIMODE=0，RXONLY=0）

程序中必须遵循如下步骤来发送和接收数据：

• 设置SPE=1，使能SPI。
• 将第1个待发送数据项写入SPI_DR寄存器（这会清除TXE）。
• 等待TXE=1，写入下一个数据项。然后等待RXNE=1，读SPI_DR，得到第一个接收到的数据项（这会清除RXNE）。重复此操作，直至第n-1个接收到的数据。
• 等待RXNE=1，读取最后1个接收的数据。
• 等待TX=1，然后等待BSY=0，关闭SPI。

这个过程也可以用专门的中断回调函数来实现。开启中断后，在每个RXNE或TXE上升沿，中断函数都会被触发。

全双工模式下，主机和从机的时序图分别如图6和图7所示。

图6. 主机全双工模式收发时序图

图7. 从机全双工模式收发时序图

2. 单向发送过程（BIDIMODE=0，RXONLY=0）

该模式下，可简化为如下步骤：

• 设置SPE=1，使能SPI。
• 将第1个待发送数据项写入SPI_DR寄存器（这会清除TXE）。
• 等待TXE=1，写入下一个数据项。对每个数据项重复此操作。
• 将最后1个数据项吸入SPI_DR寄存器后，等待TXE=1。然后等待直至BSY=0。

这个过程也可以用专门的中断回调函数来实现。开启中断后，在每个TXE上升沿，中断函数都会被触发。

注意事项：

• 在不连续通信期间，写SPI_DR和BSY被置1之间有2个APB时钟周期的延迟。因此，在单发送模式下，写入最后一个数据后，必须首先等待TXE=1，然后等待至BSY=0。
• 单发送模式下，发送两个数据项后OVR标志位会被置1，这种模式下不会读取数据寄存器。

单发送模式下，主机和从机的时序图分别如图8和图9所示。

图8. 主机单发送模式时序图

图9. 从机单发送模式时序图

3. 双向发送过程（BIDIMODE=1，BIDIOE=1）

除了使能SPI前要置BIDIMODE=1和BIDIOD=1之外，此模式下其余步骤与单向发送模式完全相同。

4. 单向接收过程（BIDIMODE=0，RXONLY=1）

此模式下，工作步骤简化简化如下：

• 设置RXONLY=1。
• 设置SPE=1，使能SPI。主模式下，这会立即激活SCK时钟和数据串行接收，直至SPI关闭（SPE=0）；从模式下，SPI主机将NSS拉低并产生SCK时钟后，开始接收数据。
• 等待RXNE=1，读取SPI_DR寄存器中收到的数据（这会清除RXNE）。对每个接收到的数据项重复此操作。

注意：最后一个数据传输完毕欧，要关闭SPI。上述流程也可以基于专门的中断回调函数来实现。开启中断后，每个RXNE上升沿都会触发。单向接收模式的时序图如图10所示。

图10. 单向接收模式时序图

5. 双向接收过程（BIDIMODE=1，BIDIOE=0)

除了使能SPI前要置BIDIMODE=1和BIDIOD=0之外，此模式下其余步骤与单向接收模式完全相同。

6. 连续和间断传输

以主模式发送数据时，如果软件足够快，能够检测到TXE的每个上升沿（或TXE中断），并且在正在进行中的数据传输结束前迅速写入SPI_DR寄存器，这种传输就可称为连续传输。这种情况下，在每个数据项之间SPI时钟没有中断，BSY位在每个数据传输之间也不会被清除。

反之，如果软件不够快，就会导致通信过程出现间断。这种情况下，在每个数据项传输之间，BSY位被清除。

在主机单向接收模式下（RXONLY=1），可以保持连续通信，BSY始终为1。

在从模式下，通信的连续性取决于主机的SPI始终。即使通信是连续的，每次传输之间BSY位至少有一个SPI始终周期会被拉低。

出现间断发送情况下，TXE和BSY位的时序如图11所示。

图11. 间断传输情况下TXE和BSY位时序图

五、标志位

5.1 状态标志位

通过SPI_SR寄存器中的3个状态标志位可以监控SPI总线的状态。

1. 发送缓存为空 – TXE

TXE=1时，表明发送缓存为空，下一个待发送数据可以载入。写SPI_DR寄存器可以清除该位。

2. 接收缓存非空 – RXNE

RXNE=1时，表明接收缓存非空，数据已成功接收正待读取。读SPI_DR寄存器可以清除该位。

3. 忙碌 – BSY

BSY位的设置和清除由硬件管理，软件写入会被忽略。BSY位用来指示SPI通信层的状态。当BSY=1时，表明SPI正忙于通信。例外情况是，在主模式/双向接收模式（MSTR=1、BIDIMODE=1、BDOE=0）中，在接收期间BSY始终为0。

BSY为常用来检查传输是否结束。在关闭SPI并进入停机状态（关闭外设时钟）前，必须严格执行这一检查，否则可能会破坏最后传输的数据。

BSY标志位还可以用来避免多主机系统中的写入冲突。

除了主模式/双向接收模式外，传输开始BSY位即被置1。当发生如下情况时，BSY被清除：

• 传输结束（主模式连续通信除外）
• SPI被关闭
• 发生主模式错误（MODF=1）

当非连续通信时，BSY在每次通信之间为0。当连续通信时：

• 主模式下，传输过程中BSY保持为1
• 从模式下，没次传输之间BSY有一个SPI时钟周期为0

注意：

不要用BSY来处理每次数据发送或接收，应该用TXE和RXNE标志位。

5.2 错误标志位

1. 主模式失效（MODF）

当主设备的NSS引脚被拉低（NSS硬件模式）或SSI被置0（NSS软件模式）时，会出现主模式失效。此时，MODF位会被自动置1。主模式失效会对SPI模块产生如下影响：

• MODF位被置1，如果ERRIE=1，会产生SPI中断
• SPE位被清除。当前设备的所有输出被阻断，SPI接口被关闭。
• MSTR位被清除，当前设备被强制进入从模式。

要清除MODF位，软件中需要执行如下步骤：

• MODF=1时，读或写一次SPI_DR寄存器
• 接着，写SPI_CR1寄存器（去重新配置或使能SPI）

在一个由多个MCU构成的系统中，为了避免多个从机间的冲突，在执行上述清除MODF位的过程中，NSS引脚必须被拉高。清除程序完成后，可将SPE和MSTR位恢复其原来的状态。作为一项安全措施，在MODF=1期间，硬件会禁止对SPE和MSTR位的设置。

从设备不会出现主模式失效，所以从设备的MODF位不能被置1。但是，在多主配置中，设备可以在MODF=1的情况下处于从模式。这种情况下，MODF=1表明系统控制过程中可能出现过多主冲突（multimaster conflict）。可以用中断程序来执行一次复位或恢复默认状态来清理这种状态。

2. 溢出错误（OVR）

主机已经发送数据，但从机没有清除上次接收数据后的RXNE位，就会出现溢出错误。出现溢出错误时，OVR为被置1，如果ERRIE=1，则会产生中断。

出现这种情况时，接收缓存中的内容不会被主机新接收到的数据更新。读SPI_DR寄存器仍可读取缓存中的内容，但OVR=1期间发送的字节就都丢失了。

读SPI_DR寄存器后接着读一次SPI_SR寄存器，即可清除OVR。HAL库中__HAL_SPI_CLEAR_OVRFLAG宏函数即是用来完成这个任务的。其代码如下：

#define __HAL_SPI_CLEAR_OVRFLAG(__HANDLE__) \ do{ \ __IO uint32_t tmpreg_ovr = 0x00U; \ tmpreg_ovr = (__HANDLE__)->Instance->DR; \//读DR tmpreg_ovr = (__HANDLE__)->Instance->SR; \//读SR UNUSED(tmpreg_ovr); \ } while(0U) 

3. CRC错误（CRCERR）

通过SPI_CR1寄存器中CRCEN=1使能CRC后，可通过CRCERR位来确认接收到的值的有效性。如果移位寄存器中接收到的CRC与SPI_RXCRCR中的值不匹配，CRCERR位就会被置1。

5.3 SPI中断

SPI共有5个标志位可触发3个中断。如下表所示：

以上5个标志位均在SPI_SR寄存器中，硬件设置，软件复位；3个使能位在SPI_CR2寄存器中设置。

六、关闭SPI

传输完成后，应用程序中可以关闭SPI模块来停止通信。这可以通过清除SPE位来实现。在某些配置下，如果传输正在进行中，就关闭SPI并进入停机模式，可能导致当前的传输被破坏，并可能使BSY标志位变得不可信。为避免这类情况，建议关闭SPI时严格执行如下步骤：

1. 主/从全双工 （BIDIMODE=0， RXONLY=0）

• 等待RXNE=1，接收最后一个数据
• 等待TXE=1
• 等待BSY=0
• 关闭SPI（SPE=0），最终进入停机模式（关闭外设时钟）

2. 主/从单向发送（BIDIMODE=0,RXONLY =0）或双向发送（BIDIMODE=1，BIDIOE=1）

• 等待TXE=1
• 等待BSY=0
• 关闭SPI（SPE=0），最终进入停机模式（关闭外设时钟）

3. 主单向接收（MSTR=1，BIDIMODE=0，RXONLY=1）或双向接收（MSTR=1，BIDIMODE=1， BIDIOE=0）

此模式下必须进行特殊处理，防止SPI启动新的传输。

• 等待倒数第二（n-1）次RXNE=1
• 等待一个SPI时钟周期（软件中循环）再关闭SPI（SPE=0）
• 等待最后一次RXNE=1，然后进入停机模式（关闭外设时钟）

注意：在主双向接收模式（MSTR=1，BIDIMODE=1， BIDIOE=0），传输期间始终BSY=0。

4. 从单向接收（MSTR=0，BIDIMODE=0，RXONLY=1）或双向接收（MSTR=0，BIDIMODE=0，BIDIOE=1）

• 可随时关闭SPI（SPE=0）：当前传输会在SPI被关闭前完成
• 然后，如果想进入停机模式，必须首先等待BSY=0.。

七、CRC计算

为实现可靠通信，SPI中为发送数据和接收数据分别设置了一个单独的CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）计算器。通过设置SPI_CR1寄存器中的CRCEN=1来开启。开启后，在每个数据取样时钟边沿，都会基于一个可编程多项式对每个bit串行计算CRC值。由于SPI支持8-bit和16-bit两种数据长度，CRC计算时会采取与之对应的CRC8（8-bit数据）和CRC16（16-bit数据）两种标准。

开启CRC计算的同时会将SPI_RXCRCR和SPI_TXCRCR两个寄存器复位。此后由根据收/发数据进行CRC计算得到的值填充。

CRC校验过程分为两步：

• 在发送端，数据发送过程中逐位计算CRC并存入SPI_TXCRCR。在最后一个数据发送完成后，SPI_TXCRCR中的值被发送出去。
• 在接收端，数据接收过程中逐位计算CRC并存入SPI_RXCRCR。在最后一个数据接收完成后，会接收到来自发送端的CRC值。将之与SPI_RXCRCR中的值进行比较，如果不匹配，则说明数据在传输过程中被损坏，CRCERR位会被置1。

显然，发送端和接收端对CRC值不应再进行CRC计算。因此，在软件管理（CPU mode）的全双工或单向发送模式中，必须在最后一个数据写入SPI_DR后立即将CRCNEXT置1。在软件管理（CPU mode）的单向接收模式中，必须在收到倒数第2个数据时将CRCNEXT置1。发送端或接收端在查询到CRCNEXT=1时，将关闭CRC计数器。接收端在接收完下一个数据后，会马上用之进行CRC校验。

SPI通信可以通过以下步骤使用CRC：

• 在程序中配置CPOL, CPHA, LSBFirst, BR, SSM, SSI 和MSTR的值。
• 在SPI_CRCPR寄存器中设置CRC计算所需的多项式。
• 将SPI_CR1寄存器的CRCEN位置1，使能CRC计算。这会同时清除SPI_RXCRCR和SPI_TXCRCR寄存器。
• 将SPI_CR1寄存器的SPE位置1，使能SPI。
• 开始并保持通信，直至最后一个数据（字节或半字）被发送或接收前：软件管理的全双工或单向发送模式下，在最后一个数据被写入时设置CRCNEXT，以表明最后一个字节传输完毕后将发送CRC；单向接收模式下，在收到倒数第2个数据后，设置CRCNEXT，以便SPI做好准备在接收完最后1个数据后进入CRC阶段。CRC传输期间，CRC计算被冻结。
• 最后一个数据传输完毕后，SPI进入CRC传输和校验阶段。在全双工或单向接收模式下，接收到的CRC值会与SPR_RXCRCR中的值进行比较。如果二者不匹配，SPI_SR寄存器中的CRCERR标志位会被置1。如果设置了SPI_CR2寄存器中的ERRIE位，会产生中断

注意事项：

• 当SP处于从模式时要当心，只有时钟稳定（即，时钟处于稳态）时，才可使能CRC计算。否则可能会发生错误的CRC计算。事实上，只要设置了CRCEN=1，CRC即开始对SCK输入时钟进行响应，而不管SPE位是何状态。换句话说，即使SPI还没启动，如果输入时钟抖动，也会被认为是数据bit，并对其进行CRC计算。
• 高比特率情况下，发送CRC时必须小心。CRC传输阶段所用的CPU周期该越少越好。在CRC发送过程中，严禁在程序中调用函数，以防在接收最后的数据和CRC时出错。实际上，在发送/接收最后一个数据之前，必须将CRCNEXT位置1。
• 由于对CPU的访问不可避免的会影响SPI的带宽，因此高比特率情况下，建议采用DMA模式以避免影响SPI的速度。
• 当SPI被配置为从模式，并且使用了NSS硬件模式时，NSS引脚应该在数据传输和CRC传输期间保持为低电平。

当SPI被配置为从模式且开启CRC时，即使在NSS引脚上施加高电平，仍会执行CRC计算。当主机交替地与多个从机进行通信时就可能会出现这种情况。为保持主机和从机各自CRC计算的同步，在断开一个从机（NSS拉高）到选通另一个从机中间，应清除双方的CRC值。步骤如下：

• 关闭SPI（SPE=0）
• 关闭CRC（CRCEN=0）
• 使能CRC（CRCEN=1）
• 使能SPI（SPE=1）

八、使用DMA进行SPI通信

为了达到最大通信速度，SPI通信过程中要不断的向Tx buffer中送入待发送数据，并及时读取Rx buffer中接收到的数据，否则会发生溢出。为了便于实现高速传输，SPI的DMA功能采用了一种简单的请求/应答协议。

对Tx buffer和Rx buffer的DMA访问必须单独发出，对应的使能位分别为SPI_CR2寄存器中的TXDMAEN和RXDMAEN。

• 发送时，每次TXE=1都会发出DMA请求。然后DMA写入SPI_DR寄存器（这会清除TXE）
• 接收时，每次RXNE=1都会发出DMA请求。然后DMA读取SPI_DR寄存器（这会清除RXNE）

当SPI仅用来发送数据时，可以仅使能DMA发送（TXDMAEN=1）通道。这种情况下，OVR会被置1，因为接收到的数据未被读取。不用管他即可。同理，当SPI仅用来接收数据时，可以仅使能DMA接收（RXDMAEN）通道。

在发送模式下，当DMA已经写完所有待传输数据（DMA_ISR寄存器的TCIF=1），为了避免最后的数据被损坏，关闭SPI或进入STOP模式前，必须监测BSY是否被置0。需要注意的是：在非连续通信中，写入SPI_DR和设置BSY的操作之间有2个APB时钟周期的延迟。由于这一原因，写入最后一个数据后，必须首先等待TXE=1，任何等待BSY=0。

图12和13分别为发送和接收过程DMA时序图。

图12. 发送过程DMA时序图

图13. 接收过程DMA时序图

DMA模式启用CRC

当SPI启用DMA模式且使能CRC通信时，通信结束前的CRC发送和接收是自动的，即无需使用CRCNEXT位。接收到CRC后，必须将其读入SPI_DR寄存器来清除RXNE位。如果传输过程中出现数据损耗，在数据和CRC传输结束后，SPI_SR寄存器中的CRCERR位会被置1。

九. SPI寄存器

STM32F103ZET6中与SPI相关的寄存器共有9个，地址映射与复位值表如图1所示。这些寄存器必须按按半字（16 bits）或全字（32 bits）访问。

1. SPI_CR1寄存器

该寄存器主要管理SPI工作模式、时钟极性和相位、波特率、数据格式，以及使能SPI。

2. SPI_CR2寄存器

这个寄存器主要管理SPI中断、片选引脚以及收、发DMA的使能。

3. SPI_SR寄存器

该寄存器管理SPI的工作状态和错误标志。

4. SPI_DR寄存器

这是一个16位的数据寄存器。存储接收或待发送数据。数据寄存器被分为2个缓存。写入时写到Tx 缓存，读取时返回的是Rx缓存中的值。

注意：（仅对SPI模式）根据DFF位设置，数据可以为8或16-bit。该选择必须在使能SPI前完成。对8-bit，仅使用低位，接收时MSB置0。

5. SPI_CRCPR寄存器

该寄存器包含了CRC计算时用到的多项式。其复位值为0x0007，根据应用可以设置其他数值。

注：在I2S模式下不使用

6. SPI_RXCRCR寄存器

启用CRC时，此寄存器存储依据接收的字节使用CRCPR中的多项式计算出的CRC值。当CRCEN=1时，该寄存器被复位。

对8位数据帧，仅低8位参与计算，执行CRC8的标准；对16位数据帧，该寄存器中的16位均参与计算，执行CRC16的标准。

注：BSY=1时可能读到错误的值。I2S模式不使用。

7. SPI_TXCRCR寄存器

启用CRC时，此寄存器存储依据发送的字节使用CRCPR中的多项式计算出的CRC值，并作为最后一个数据发送出去。当CRCEN=1时，该寄存器被复位。

对8位数据帧，仅低8位参与计算，执行CRC8的标准；对16位数据帧，该寄存器中的16位均参与计算，执行CRC16的标准。

注：BSY=1时可能读到错误的值。I2S模式不使用。

8. SPI_I2SCFGR寄存器

该寄存器主要进行I2S的配置。对SPI，仅用到I2SMOD位，将该位设为0时，外设为SPI接口，设为1时，则为I2S接口。

9. SPI_I2SPR寄存器

该寄存器设置I2S预分频参数。

十、HAL库SPI相关函数

HAL库中USART相关的常规库函数有29个，在stm32f1xx_hal_spi.h中声明，stm32f1xx_hal_spi.c中定义。如果基于STM32CubeIDE编程，大多函数都可以自动生成。只需适当添加代码和编写所需的*Callback即可。仅将函数名称罗列如下，大多可以从名称看出功能。

/* Initialization/de-initialization functions */ HAL_SPI_Init(); HAL_SPI_DeInit(); HAL_SPI_MspInit(); HAL_SPI_MspDeInit(); /* I/O operation functions / HAL_SPI_Transmit(); HAL_SPI_Receive(); HAL_SPI_TransmitReceive(); HAL_SPI_Transmit_IT(); HAL_SPI_Receive_IT(); HAL_SPI_TransmitReceive_IT(); HAL_SPI_Transmit_DMA(); HAL_SPI_Receive_DMA(); HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(); HAL_SPI_DMAPause(); HAL_SPI_DMAResume(); HAL_SPI_DMAStop(); /* Transfer Abort functions / HAL_SPI_Abort(); HAL_SPI_Abort_IT(); /* Request and Callcack functions / HAL_SPI_IRQHandler(); HAL_SPI_TxCpltCallback(); HAL_SPI_RxCpltCallback(); HAL_SPI_TxRxCpltCallback(); HAL_SPI_TxHalfCpltCallback(); HAL_SPI_RxHalfCpltCallback(); HAL_SPI_TxRxHalfCpltCallback(); HAL_SPI_ErrorCallback(); HAL_SPI_AbortCpltCallback(); /* Peripheral State and Error functions / HAL_SPI_GetState(); HAL_SPI_GetError();

附：血泪教训

不要忽视SPI的极性和相位，如果一个SPI接口的器件，写入寄存器的值和读取的值出现错误，很可能是极性和相位设置有问题。主从机的极性和相位要相反！比如，主机在时钟的下降沿发送，从机在时钟的上升沿接收。

数据bit错位先怀疑相位，数据全错或收不到，先检查时钟极性。

读SPI接口器件的说明书时，一定要搞清它的极性和相位。从时钟和读/写时序图就可看出。

例子：ADS1256的SPI主机设置

从机：ADS1256在SCLK的下降沿从DIN引脚接收数据，在上升沿向DOUT引脚发送数据

主机：在SCLK的下降沿从MOSI引脚接收数据（极性为0时，第2个边沿），在上升沿发送数据。

这解释了为什么CPHA设为1Edge时，读取的寄存器数据左移一位（少读了1位）。若设为CPOL=1，CPHA=1，则上升沿读不到数。CPOL=1，CPHA=0时能行吗?

ADS1256说明书中关于数据时序的描述

简而言之：发送和接收数据应该在时钟脉冲的前后边沿，前一边沿发送，下一边沿接收。

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