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SPI通信：高效同步串行接口解析、软硬件spi

news 2026/3/27 2:21:25

SPI通信

SPI介绍

SPI 的全称是Serial Peripheral Interface（串行外设接口）是一种同步串行通信技术，Motorola 首先提出的全双工三线/四线同步串行外围接口，采用主从模式架构，时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信。

SPI总线被广泛地使用在FLASH、ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的场合。

SPI总线拓扑结构

SPI总共有4根总线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。

M : Master O : Output S : Slave I : Input

MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入
MISO：主器件数据输入，从器件数据输出
SCLK ：时钟信号，由主器件产生
/SS：从器件使能信号，由主器件控制（片选）（nss、cs，低电平有效）

注：SPI如果一主一从，则只需要三根线即可，片选线可以不使用

SPI一主多从通信时，通过SS片选线来区分主机和哪个或哪几个从机进行通信，只需要主机将要和从机通信的SS电平拉低即可

SPI特点

同步串行全双工的通信协议，遵循高位先行的数据传输方式
实现一主多从通信，通过片选线区分从机
是一个3线或4线的通信协议

SPI总线协议

起始信号:NSS信号线由高变低(NSS是片选信号，使能信号)

结束信号：NSS信号由低变高，是SPI通讯的停止信号

数据传输：SPI通信以字节(8位)为单位进行数据传输，每个字节的最高有效位（MSB）先传输，然后是次高有效位，依此类推，直到最低有效位（LSB）传输完毕。在数据传输过程中，每次接收到的数据必须在下次数据传输前被采样，否则可能会导致数据丢失或SPI模块失效。

通信过程：

（1）主设备先选择要进行通信的从设备，将SS（或CS）信号置为低电平，表示选择该从设备。

（2）然后，主设备开始发送时钟信号（SCK），从设备根据时钟信号来接收和发送数据。

（3）主设备通过MOSI线向从设备发送数据，同时通过MISO线接收从设备发送的数据。

（4）数据传输结束后，主设备将SS（或CS）信号置为高电平，表示通信结束。

SPI工作模式

在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性（clock polarity：CPOL）和时钟相位（clock phase：CPHA），它们是决定数据传输 “节奏” 的两个核心参数。

CPOL：0、1

CPHA：0、1

时钟极性（CPOL）：定义时钟 “空闲状态”的电平

当CPOL = 0，SCK引脚在空闲状态保持低电平；
当CPOL = 1，SCK引脚在空闲状态保持高电平。

时钟相位（CPHA）：定义数据的 “采样时刻”

当 CPHA=0 时，MOSI或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK时钟线的奇数边沿被采样
当 CPHA=1时， MOSI或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK时钟线的偶数边沿被采样

时钟相位CPHA=0时，表示在奇数边沿采样，此时时钟极性CPOL=0，表示空闲状态为低电平，CPOL=1，表示空闲状态为高电平。

数码管

介绍

LED数码管（LED Segment Displays）是由8个发光二极管构成，并按照一定的图形及排列封装在一起的显示器件。其中7个LED构成7笔字形，1个LED构成小数点（固有时成为八段数码管）。

LED数码管有两大类，一类是共阴极接法，另一类是共阳极接法，共阴极就是7段的显示字码共用一个电源的负极，是高电平点亮，共阳极就是7段的显示字码共用一个电源的正极，是低电平点亮。

我们对数码管所要显示的每个数字和字母进行编码，然后在编程时，将编码放在一个数组上，需要显示什么数字或者字母，从数组里面提取相应的编码就可显示所要显示的字符了。

如图，要显示数字“5”时，编码为0x6D。如果数码管为共阳极，只需要对共阴极的编码做一个取反操作即可。

74HC595芯片分析（参考其它文章）

软件SPI

CubeMX初始化

打开引脚为GPIO功能

可见，通信方式为模式0

SPI驱动文件创建

创建自己的.c和.h文件

驱动代码编写

MySpi.c

#include "MySpi.h"#define SPI_NSS1_PORT GPIOB#define SPI_NSS1_PIN GPIO_PIN_12#define SPI_SCL_PORT GPIOB#define SPI_SCL_PIN GPIO_PIN_13#define SPI_MOSI_PORT GPIOB#define SPI_MOSI_PIN GPIO_PIN_15voidMySpi_W_NSS1(uint8_tstate){HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS1_PORT,SPI_NSS1_PIN,state);}voidMySpi_W_SCK(uint8_tstate){HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCL_PORT,SPI_SCL_PIN,state);}voidMySpi_W_MOSI(uint8_tstate){HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_PORT,SPI_MOSI_PIN,state);}voidMySpi_Init(void){MySpi_W_SCK(0);MySpi_W_MOSI(0);MySpi_W_NSS1(1);}voidMySpi_Start(){MySpi_W_NSS1(0);}voidMySpi_Stop(){MySpi_W_NSS1(1);}voidMySpi_SendByte(uint8_tSendByte){for(inti=0;i<8;i++){MySpi_W_SCK(0);MySpi_W_MOSI((SendByte&0x80)?1:0);MySpi_W_SCK(1);SendByte<<=1;}}

MySpi.h

#ifndef __MYSPI_H__#define __MYSPI_H__#include "stm32u5xx_hal.h"voidMySpi_W_NSS1(uint8_tstate);voidMySpi_W_SCK(uint8_tstate);voidMySpi_W_MOSI(uint8_tstate);voidMySpi_Init(void);voidMySpi_Start();voidMySpi_Stop();voidMySpi_SendByte(uint8_tSendByte);#endif

调用驱动函数实现数码管显示

/* USER CODE BEGIN 2 */MySpi_Init();/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while(1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */MySpi_Start();MySpi_SendByte(0x01);MySpi_SendByte(0x6F);MySpi_Stop();MySpi_Start();MySpi_SendByte(0x02);MySpi_SendByte(0x06);MySpi_Stop();}