一、SPI 协议基础与主从模式
SPI（Serial Peripheral Interface）由 Motorola 提出，是一种高速全双工同步串行总线。它通常使用 4 根信号线：
- SCK：时钟线，由主设备产生，决定通信速率与同步节奏。
- MOSI：主输出从输入（Master Out Slave In）。
- MISO：主输入从输出（Master In Slave Out）。
- CS：片选信号，低电平有效，由主设备控制选择从设备。
SPI 采用主从模式：一个主设备可以挂多个从设备，但同一时刻只能有一个从设备被选中（通过 CS 引脚）。主设备始终控制 SCK 和 CS，完成数据的发送与接收。
全双工通信意味着主设备发送数据的同时也能接收数据。SPI 没有定义应用层协议，因此读写具体外设（如 Flash、传感器）时必须遵循外设的数据手册时序。
二、SPI 时序：极性（CPOL）与相位（CPHA）
SPI 的四种工作模式由时钟极性 CPOL 和时钟相位 CPHA 决定：
- CPOL：决定 SCK 空闲时的电平。CPOL=0 时空闲为低电平，CPOL=1 时空闲为高电平。
- CPHA：决定数据采样边沿。CPHA=0 时在第一个时钟边沿采样（数据更新在边沿前），CPHA=1 时在第二个边沿采样。
两种参数组合成 Mode 0～Mode 3。
| CPOL | CPHA | 模式 | 采样边沿 | 常见应用 | |------|------|------|----------|----------| | 0 | 0 | Mode 0 | 上升沿 | W25Q64 等 Flash | | 0 | 1 | Mode 1 | 下降沿 | - | | 1 | 0 | Mode 2 | 下降沿 | - | | 1 | 1 | Mode 3 | 上升沿 | 部分传感器 |
注意：主从设备的 CPOL/CPHA 必须一致，否则通信数据会错位。
三、STM32 SPI 配置步骤
以 STM32F1 系列 + HAL 库为例，配置 SPI 的典型步骤：
- 使能 GPIO 和 SPI 时钟。
- 配置 GPIO 复用功能，将 SCK、MOSI、MISO 映射到 SPI 引脚，CS 通常用普通 GPIO 控制。
- 配置 SPI 句柄：设置波特率、时钟极性/相位、数据格式等。
- 调用 HAL_SPI_Init() 初始化。
- 编写读写函数，使用 HAL_SPI_Transmit/Receive 进行数据传输。
使用 STM32CubeMX 可快速完成时钟和引脚配置，但底层原理仍需理解。以下代码展示 HAL 库初始化：
SPI_HandleTypeDef hspi1;
void SPI_Init(void)
{
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; // 主模式
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; // 全双工
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; // 8 位数据
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // CPOL=0
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // CPHA=0，即 Mode 0
hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; // 软件管理片选
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_16; // 分频
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; // 高位先行
HAL_SPI_Init(&hspi1);
}
CS 引脚控制建议使用普通 GPIO，例如：
#define FLASH_CS_LOW() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET)
#define FLASH_CS_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET)
四、读写 Flash 实战（以 W25Q64 为例）
W25Q64 是一款常见的 SPI NOR Flash，容量 64Mbit（8MB），支持标准 SPI 指令。对 Flash 的操作通常先发送指令地址，再读写数据。常用指令：
- 读 ID：
0x90（读取制造商/设备 ID） - 写使能：
0x06 - 读数据：
0x03 - 页编程：
0x02（一页最多 256 字节） - 擦除扇区：
0x20（一次擦除 4KB）
下面给出基于 HAL 库的完整示例代码。
/* 发送一个字节同时接收一个字节 */
uint8_t SPI_ExchangeByte(uint8_t txData)
{
uint8_t rxData = 0;
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &txData, &rxData, 1, HAL_MAX_DELAY);
return rxData;
}
/* 读取 Flash ID */
uint16_t Flash_ReadID(void)
{
uint8_t cmd[4] = {0x90, 0x00, 0x00, 0x00};
uint8_t id[2] = {0};
FLASH_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, HAL_MAX_DELAY);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, id, 2, HAL_MAX_DELAY);
FLASH_CS_HIGH();
return (id[0] << 8) | id[1]; // W25Q64 返回 0xEF17
}
/* 写使能 */
void Flash_WriteEnable(void)
{
uint8_t cmd = 0x06;
FLASH_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, HAL_MAX_DELAY);
FLASH_CS_HIGH();
}
/* 读取指定地址数据 */
void Flash_ReadData(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint32_t len)
{
uint8_t cmd[4] = {0x03, (addr >> 16) & 0xFF, (addr >> 8) & 0xFF, addr & 0xFF};
FLASH_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, HAL_MAX_DELAY);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, buf, len, HAL_MAX_DELAY);
FLASH_CS_HIGH();
}
/* 页编程（写一页） */
void Flash_PageProgram(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
uint8_t cmd[4] = {0x02, (addr >> 16) & 0xFF, (addr >> 8) & 0xFF, addr & 0xFF};
Flash_WriteEnable();
FLASH_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, HAL_MAX_DELAY);
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, len, HAL_MAX_DELAY);
FLASH_CS_HIGH();
// 可等待 Flash 内部完成（读取状态寄存器）
}
使用时注意：Flash 写前必须先擦除，且页编程不能跨页。实际应用中还需添加状态寄存器的轮询等待，以确保操作完成。
五、注意事项
- 时钟极性和相位必须匹配：错误的 CPOL/CPHA 会导致数据错位，调试时可用逻辑分析仪观察。
- 片选时序：多数 Flash 要求 CS 在指令发送期间保持低电平，完成后拉高，不能随意翻转。
- 波特率匹配：SPI 频率不要超过外设上限（W25Q64 最快可达 150MHz，但 STM32 时钟要配置合理）。
- DMA 传输：大数据读写建议使用 HAL_SPI_TransmitReceive_DMA 提高效率，注意 DMA 与 CPU 的同步。
- 引脚复用：使用 STM32CubeMX 时，确保 GPIO 复用为 SPI 功能，否则数据发不出去。
- Flash 扇区擦除：W25Q64 需先擦后写，且擦除等待时间较长，务必加延时或状态轮询。
掌握 SPI 主从模式与时序后，无论是连接 Flash、SD 卡还是其他传感器，都能得心应手。建议在实际项目中根据硬件手册调整 CPOL/CPHA，并用示波器验证时序波形。