SPI总线通信协议入门：原理、优缺点及STM32实现

SPI总线通信协议入门：原理、优缺点及STM32实现

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/2301_81431262/article/details/145714060

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种全双工、同步、主从式的通信协议，由摩托罗拉公司设计。它的核心特点是速度快、硬件简单，常用于单片机与传感器、存储器、显示屏等外设的通信。

一、SPI是什么？

SPI是一种全双工、同步、主从式的通信协议，由摩托罗拉公司设计。它的核心特点是速度快、硬件简单，常用于单片机与传感器、存储器、显示屏等外设的通信。

关键特点：

• 全双工：数据可以同时发送和接收（类似打电话，双方能同时说话）。
• 同步：通信双方依赖时钟信号（SCK）同步数据传输节奏。
• 主从结构：一个主设备（如单片机）控制通信，多个从设备（如传感器）响应。

二、SPI如何工作？

SPI通信需要4根线（部分情况下可简化到3根），每一根线都有明确的任务：

工作原理图解（文字描述版）：

假设主设备要和某个从设备通信：

1. 主设备拉低从设备的CS引脚（相当于点名：“嘿，我要和你说话了！”）。
2. 主设备生成时钟信号SCK，像节拍器一样控制数据传输速度。
3. 数据同时通过MOSI和MISI传输：

• 主设备通过MOSI发送数据到从设备。
• 从设备通过MISO回复数据给主设备。

4. 通信结束后，主设备拉高CS引脚（结束对话）。

三、SPI的优缺点

优点：

1. 速度快：SPI的时钟频率可达数十MHz（比I2C快得多）。
2. 全双工：同时收发数据，效率高。
3. 硬件简单：无需复杂的地址或应答机制。

缺点：

1. 需要更多引脚：每增加一个从设备，需多一根CS线（可通过菊花链优化）。
2. 无错误检测：SPI协议本身没有校验机制，需软件实现。
3. 无寻址功能：依赖硬件片选（CS）选择从设备。

四、SPI的应用场景

SPI适合对速度要求高、设备数量少的场景，例如：

• 连接传感器（如温度传感器、陀螺仪）。
• 驱动显示屏（如OLED、TFT屏幕）。
• 读写存储器（如Flash、EEPROM）。

五、软件模拟SPI通信（STM32f103c8t6标准库版）

void SPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_12,(BitAction)BitValue);
}
void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_15,(BitAction)BitValue);
}
void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_13,(BitAction)BitValue);
}
uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
    return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_14);
}
void SPI_Init(void)
{
    //开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
    //配置io口（输出引脚为推挽输出，输入引脚为浮空输入或上拉输入)
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//配置MISO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//配置MOSI
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//配置SCK
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//配置CS
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    //SPI模式0初始化引脚
    SPI_W_SS(1);//默认不选择从机
    SPI_W_SCK(0);// 模式0默认SCK为低电平
}
//SPI起始信号
void SPI_Start(void)
{
    SPI_W_SS(0);
}
//SPI终止信号
void SPI_Stop(void)
{
    SPI_W_SS(1);
}
//模式0软件模拟SPI
//SPI交换一个字节
//方法一
//优点:保留原来的参数
//缺点:效率慢
uint8_t SPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
    uint8_t i;
    uint8_t ByteRecevie = 0x00;//用来读取从机交换过来的数据
    //在SS下降沿后移出数据
    for(i = 0;i<8;i++)
    {
        SPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80>>i));//SPI高位先行,移出最高位
        SPI_W_SCK(1);//上升沿后移入数据
        if(SPI_R_MISO()==1)
        {
            ByteRecevie |= (0x80>>i);//移入到最高位
        }
        SPI_W_SCK(0);//下降沿后移出数据
    }
    return ByteRecevie;
}
//方法二
//优点:效率快
//缺点:改变了原来的参数
uint8_t SPI_SwapByte_better(uint8_t ByteSend)
{
    uint8_t i;
    //在SS下降沿后移出数据
    for(i = 0;i<8;i++)//移动8次
    {
        SPI_W_MOSI(ByteSend & 0x80);//SPI高位先行,移出最高位
        ByteSend <<= 1;//左移一位，低位补零
        SPI_W_SCK(1);//上升沿后移入数据
        if(SPI_R_MISO()==1)
        {
            ByteSend |= 0x01;//移入的数据放最低位
        }
        SPI_W_SCK(0);//下降沿后移出数据
    }
    return ByteSend;
}

六、常见问题答疑

1. 如何连接多个从设备？

• 方案1：每个从设备单独用一根CS线。
• 方案2：使用菊花链（Daisy Chain）结构，但需要从设备支持。

2. SPI的时钟模式（CPOL和CPHA）是什么？

• CPOL（时钟极性）：决定SCK空闲时的电平（0=低电平，1=高电平）。
• CPHA（时钟相位）：决定数据在时钟的哪个边沿采样（0=第一个边沿，1=第二个边沿）。

不同设备可能要求不同的模式，需查阅数据手册！

七、结语

SPI是一个简单、高效的通信协议，掌握它的核心要点只需记住：

1. 四根线：SCK、MOSI、MISO、CS。
2. 主从结构，全双工同步通信。
3. 需要硬件片选。