SPI 通信教程

本教程教你如何使用 Nexus HAL 的 SPI（串行外设接口）进行设备间通信。你将学习如何配置 SPI、与外部设备通信以及实现常见的 SPI 协议。

学习目标

完成本教程后，你将能够：

  • 理解 SPI 协议的工作原理

  • 配置 SPI 主机和从机模式

  • 与 SPI 外设通信（传感器、存储器、显示器等）

  • 处理 SPI 数据传输

  • 实现多从机 SPI 总线

  • 调试 SPI 通信问题

前置条件

硬件设置

本教程使用以下硬件：

SPI 引脚（STM32F4 SPI1）：

  • PA5: SCK（时钟）

  • PA6: MISO（主机输入从机输出）

  • PA7: MOSI（主机输出从机输入）

  • PA4: CS/NSS（片选，可选多个）

可选外部设备：

  • SPI Flash 存储器（W25Q64、AT25SF041 等）

  • SPI 传感器（BME280、MPU6050 等）

  • SPI 显示器（ILI9341、ST7735 等）

  • SPI ADC/DAC

警告

连接 SPI 设备时，确保电压电平匹配（3.3V 或 5V）。使用电平转换器保护 MCU。

第一部分：SPI 基础

SPI 协议原理

SPI 是一种同步、全双工、主从式通信协议。

SPI 的关键特性：

  • 同步通信：使用时钟信号同步数据传输

  • 全双工：可以同时发送和接收数据

  • 主从模式：一个主机，一个或多个从机

  • 高速：可达数十 MHz

  • 简单：只需 4 根线（或 3 根线）

SPI 信号线：

  • SCK（Serial Clock）：时钟信号，由主机生成

  • MOSI（Master Out Slave In）：主机发送，从机接收

  • MISO（Master In Slave Out）：从机发送，主机接收

  • CS/NSS（Chip Select）：片选信号，选择从机

SPI 通信流程

以下流程图展示了 SPI 通信的完整过程：

        sequenceDiagram
    participant Master as SPI 主机
    participant Slave as SPI 从机

    Master->>Master: 拉低 CS（选中从机）
    Master->>Slave: 发送时钟信号（SCK）

    loop 每个时钟周期
        Master->>Slave: MOSI 发送数据位
        Slave->>Master: MISO 发送数据位
    end

    Master->>Master: 拉高 CS（释放从机）
    Master->>Master: 处理接收的数据

SPI 模式

SPI 有 4 种模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定：

SPI 模式

模式

CPOL

CPHA

说明

0

0

0

时钟空闲为低，第一个边沿采样

1

0

1

时钟空闲为低，第二个边沿采样

2

1

0

时钟空闲为高，第一个边沿采样

3

1

1

时钟空闲为高，第二个边沿采样

备注

大多数设备使用模式 0 或模式 3。查看设备数据手册确定正确的模式。

基本 SPI 示例

让我们从一个简单的 SPI 回环测试开始：

/**
 * \file            spi_basic.c
 * \brief           基本 SPI 通信示例
 * \author          Nexus Team
 * \version         1.0.0
 * \date            2026-01-25
 *
 * \copyright       Copyright (c) 2026 Nexus Team
 *
 * \details         演示如何配置和使用 SPI 进行数据传输
 */

#include "hal/nx_hal.h"
#include "osal/osal.h"

/*-----------------------------------------------------------------------*/
/* Configuration                                                         */
/*-----------------------------------------------------------------------*/

#define SPI_INDEX       0           /**< SPI 设备索引 */
#define SPI_FREQ_HZ     1000000     /**< SPI 频率 1MHz */

/*-----------------------------------------------------------------------*/
/* Main Function                                                         */
/*-----------------------------------------------------------------------*/

int main(void) {
    /* 初始化 OSAL 和 HAL */
    osal_init();
    nx_hal_init();

    /* 获取 SPI 设备 */
    nx_spi_t* spi = nx_factory_spi(SPI_INDEX);
    if (!spi) {
        while (1) { /* 错误 */ }
    }

    /* 配置 SPI */
    if (spi->configure) {
        /* 配置参数（具体参数取决于 HAL 实现） */
        spi->configure(spi);
    }

    /* 准备测试数据 */
    uint8_t tx_data[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05};
    uint8_t rx_data[sizeof(tx_data)] = {0};

    /* 发送和接收数据 */
    if (spi->transfer) {
        nx_status_t status = spi->transfer(spi, tx_data, rx_data,
                                          sizeof(tx_data), 1000);

        if (status == NX_OK) {
            /* 传输成功 */
            /* 在回环模式下，rx_data 应该等于 tx_data */
        }
    }

    /* 主循环 */
    while (1) {
        osal_task_delay(1000);
    }

    return 0;
}

关键点：

  • SPI 传输是全双工的（同时发送和接收）

  • 传输函数同时填充发送和接收缓冲区

  • 超时参数防止无限等待