项目背景
- M% j  u0 i4 ]! l& Q$ g% O/ u笔者在一个高速数据采集项目中进行开发时，遇到了快速频繁读取ADC数据的需求，此时的软件模拟SPI已经无法满足，只能尝试采用硬件SPI对ADC进行读写。

6 I/ B# l3 I, ~. [( b* e关于SPI外设
+ Z3 E3 J4 v& H, c0 {+ pSPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。
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# v+ z- h* e0 v! e8 u3 K0 z2 X与I2C通讯不同，应用SPI接口的器件很多都对通讯速率有一定的要求，使用软件模拟SPI通讯有两个主要的缺点：1.增大MCU的负载，尤其是在大量数据高频收发时；2.数据传输速度无法得到控制与保证。
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# H# y4 B5 R6 M  O硬件连接
SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO以及片选线为SS，它们的作用介绍如下：

SS( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、CS，以下用 NSS 表示。当有多个 SPI从设备与 SPI主机相连时，设备的其它信号线 SCK、MOSI及 MISO同时并联到相同的 SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这 3条总线；而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而 SPI 协议中没有设备地址，它使用 NSS 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI通讯。所以 SPI通讯以 NSS 线置低电平为开始信号，以 NSS 线被拉高作为结束信号。
SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
3 f9 r' Y' K4 ~1 A* h9 w* p% b
% a# Q- b, y; SMOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

! d8 [) c/ o; T6 b: bMISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。
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7 m5 x2 _+ o2 U  B6 m  h8 `2 \5 q基本通讯过程
* f; q. E3 v( X2 f" S; a下图所示是一个SPI主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI 信号都由主机控制产生，而 MISO 的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。

: q2 M8 m7 D6 C5 _2 V# y/ `
# ?3 b4 O& `: B/ L
' m7 v9 J8 N0 u' x/ i4 s$ w& W在标号(1)处，NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号(6)处，NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。
3 @) B' D/ ?# S$ O: j! t
$ [& J5 a3 y7 \SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI 及MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用上图所示的 MSB 先行模式。

观察图中的(2)~(5)标号处，MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出，在SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻，MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及 MISO 为下一次表示数据做准备。SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。
* {5 g9 W8 s+ A9 f: Z0 B# ]# N3 C
. J( s. L4 ]0 j& |# W+ v' |4 T0 a工作模式
SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时， SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻，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，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。
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CPHA=0 时的 SPI 通讯模式：
0 l7 y/ {  m$ n
: s0 p& I7 E0 ]' B, g4 d6 g

CPHA=1 时的 SPI 通讯模式：

1 |, a( C6 d1 m2 b7 j& L
! ^1 C5 y8 @7 D% o
由 CPOL 及 CPHA 的不同状态，SPI 分成了四种模式，如下表所示，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”。
' }% k, c0 U) Z. T, D% y6 D6 H
6 i( J3 C- K* n9 k. i" b' V2 i+ v$ Z

8 t3 _- B+ @. J' b配置流程
2 q3 `# }9 {! y4 [+ EGPIO端口功能配置：

1. void GPIO_Config()
   
2. {
   
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   ; C/ K5 U/ n2 T, ^
4.         
   
5.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
   
6.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
   + S' L# ^* l4 W; T8 v+ z
7.         GPIO_AFIODeInit();
   
8. 
   
9.         //SPI-Clock:PA5 SPI-MISO:PA6 SPI-MOSI:PA7
   
10.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    5 g3 {. z! |+ X0 ^  |
11.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
12.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    
13.         GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
14. }

复制代码

SPI外设配置：

1. void SPI_Config()
   . E  a4 D# q1 B1 h  D! [
2. {
   ) P5 W, [  ^* G6 Z
3.         SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
   
4.         
   2 e% r- D; a: K& y- G; o0 e9 @
5.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
   ) c" p% Y  o8 a' e& T
6.         
   
7.         SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
   
8.         SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
   
9.         SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
   
10.         SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
    # I$ \7 N. _/ e* x. W% K  S. y8 A
11.         SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
    2 q+ L4 ^& |9 `$ f
12.         SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
    1 B3 D9 ^. Y; ]7 }
13.         SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_32;
    
14.         SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
    
15.         SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
    
16.         
    1 K9 R3 T1 t" R4 E
17.         SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
    . b; ]1 w$ T! ~5 K
18. 
    
19. //        SPI_I2S_ITConfig(SPI1, SPI_I2S_IT_RXNE, ENABLE);
    
20. //        SPI_I2S_ClearFlag(SPI1, SPI_I2S_IT_RXNE | SPI_I2S_IT_TXE);
    ! R6 b; n- V1 Z  b! d: @9 l
21. }
    

复制代码

在某处使能SPI：
) K1 ]" d  v0 p9 X

1.         SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

复制代码

如果使能了SPI中断，需要在NVIC中配置其中断的主从优先级。

特别注意
( D: q8 {2 s8 r/ a7 w8 E& P硬件SPI写入数据的时候记得读取，不然会一直读出0xFF。因为SPI为双线结构，只要时钟线有信号，两条线上都会有信号，如果只发送数据而不同步读取数据，会造成溢出标志OVR被置1。
( S2 \! q. D+ ]) P! G3 W/ X! {
: X7 F8 S+ B. f& k% J4 z" s. JOverrun flag (OVR)
, s! z8 n7 N. z% b. A: l  iThis flag is set when data are received and the previous data have not yet been read from SPI_DR. As a result, the incoming data are lost. An interrupt may be generated if the ERRIE bit is set in SPI_CR2.
In this case, the receive buffer contents are not updated with the newly received data from the transmitter device. A read operation to the SPI_DR register returns the previous correctly received data. All other subsequently transmitted half-words are lost.
, _7 B  P+ P: r1 g- ~Clearing the OVR bit is done by a read operation on the SPI_DR register followed by a read access to the SPI_SR register.

使用下面的函数可以通过硬件SPI安全地读写数据：
( U8 G- ^6 B) w2 w' X, \; ^

1. uint8_t SPI_I2S_ReadWriteData(uint8_t Tdata)
   # R6 V- O/ s+ C& E/ `. L
2. {
   ( b2 A& C# u/ c4 Y! k$ K/ z
3.         while ((SPI1->SR & SPI_I2S_FLAG_TXE) == (uint16_t) RESET)
   & U' }+ l, N0 b0 C( \
4.                 ;
   5 [; S0 u8 }& i5 W/ f: {
5.         SPI1->DR = Tdata;
   5 w! R( z, {5 H6 `
6.         while ((SPI1->SR & SPI_I2S_FLAG_RXNE) == (uint16_t) RESET)
   2 G6 N4 j2 r  u) a
7.                 ;
   . ~  x" ?' c( U1 m  ~
8.         ///注意：接收区满了要及时读出来，否则将不能接收下一个字节数据
   ) u# B5 D9 r: F( N" b
9.         return SPI1->DR;
   
10. }

复制代码

% X; c' Z, a8 r
# Y6 [, C5 X# y" e% j: B6 [( A" y