一、简介
1、SPI(Serial Peripheral Interface），串行外设接口，由Motorola公司开发的一种高速同步串行数据总线；近距离板内芯片通信首选(MCU↔Flash、LCD、传感器、ADC）。
同步：拥有独立时钟线，收发频率不受晶振偏差影响。
全双工：同一时刻可以同时发、同时收数据（I2C半双工、UART异步）。
支持总线挂载多设备（一主多从），不支持多主机；
缺点：无内置应答机制、无硬件地址，需要片选区分设备。
SPI支持：SPI1(APB2)、SPI2(APB1)；
2、硬件--标准4线SPI
1）SCLK(SCK)：串行时钟，主机输出，驱动数据移位；
2）MOSI：主机输出→从机输入（Master Out Slave In）；
3）MISO：从机输出→主机输入（Master In Slave Out）；
4）SPI支持：SPI1(APB2)、SPI2(APB12)。
5）NSS/CS：片选信号（低电平有效居多）；
6）STM32F103系列引脚分配：
| 外设 | SCK时钟 | MOSI主机发/从机收 | MISO主机收/从机发 | NSS片选 | 总线时钟 |
| SPI1 | PA5 | PA7 | PA6 | PA4 | APB2最大36M |
| SPI2 | PB13 | PB15 | PB14 | PB12 | APB2最大18M |
3、主从架构
1）主机Master：产生SCLK时钟，控制通信发起（MCU一般作为主机）；
2）从机（Slave):跟随SCLK，收到时钟移位数据；
3）一条SPI总线可以挂载多个从设备，依靠CS片选区分，总线不能自动寻址，SPI没有设备地址，想要切换设备必须先拉低对应CS，拉高其他CS。
二、SPI四大模式（CPOL+CPHA）
1、CPOL(Clock Polarity，时钟极性），空闲状态（无通信）时，SCLK电平：
CPOL=0：空闲SCLK=低电平；
CPOL=1：空闲SCLK=高电平；
2、CPHA（Clock Phase，时钟相位）
数据采样时刻：
CPHA=0：第一个时钟边沿采样数据；
CPHA=1：第二个时钟边沿采样数据；
3、4种常用模式
| 模式 | CPOL | CPHA | 说明 | 应用场景 |
| Mode1 | 0 | 0 | 最常用 | WQ25 Flash、LCD |
| Mode2 | 0 | 1 | 较少 | 部分ADC |
| Mode3 | 1 | 0 | 较少 | 部分射频芯片 |
| Mode4 | 1 | 1 | 较常用 | OLED、部分屏幕 |
三、SPI通信时序原理
1、移位寄存器交换机制
主机和从机内部各有一个8bit移位寄存器，每来一个SCLK脉冲：
主机移出1bit→MOSI发给从机；
从机移出1bit→MISO发给主机；
SPI本质：数据交换！只要发数据，必然同时收数据。全双工移位寄存器通信，写DR寄存器时就开始收发，发1字节同时收1字节。SPI没有单独只读函数读，读数据也要发送哑字节（0xFF）;
即：主机写DR→移位寄存器移出数据到MOSI，同时MISO移入数据；等待TXE、RXNE标志；读DR得到收到的数据。
2、数据位序：MSB先行
绝大多数器件都是：高位先传（MSB First）。
3、CS时序
通信前：CS拉低；持续通信期间，CS保持低；
一组数据传输完成后，CS拉高；
很多芯片要求：CS拉高后，才能锁存收到的数据，连续传输不要频繁翻转CS。
四、通信速率
SCLK时钟由主机提供，常见范围：几十KHz到几十MHz。
限制因素：PCB走线长度、芯片最高支持频率，比如OLED一般10MHz。
五、SPI硬件架构两种方式
1、硬件SPI（MCU内置SPI外设）
芯片外设自动生成SCLK、移位、CPU只需要读写DR数据寄存器。
优势：速度高、不占用CPU，支持DMA。
缺点：固定引脚、资源有限。
2、软件SPI：GPIO模拟SCLK、MOSI、MISO。
任意GPIO引脚，软件循环翻转电平模拟时序。
优点：引脚自由，无硬件通道限制。
缺点：占用CPU，速率低，时序受代码影响，高频不稳定。
六、SPI vs UART vs I2C
| 特性 | SPI | I2C | UART |
| 连线 | 4线 | 2线 | 2线 |
| 通信方式 | 同步全双工 | 同步半双工 | 异步全双工 |
| 寻址 | CS片选、无地址 | 7/10位设备地址 | 点对点 |
| 速度 | 最高几十MHz | 最高400KHz | 波特率<1MHz |
| 应答 | 无硬件ACK | 自带ACK | 无 |
七、常见问题
1、SPI是交换数据，只读必须发送0xFF哑字节。
2、MISO：主机是输入，严禁配置为推挽输出。
3、CS片选极性问题。
八、标准库SPI结构体SPI_InitTypeDef
uint16_t SPI_Mode：主机/从机，（宏定义）
uint16_t SPI_Direction：全双工/半双工/单工，（宏定义）；
uint16_t SPI_DataSize：8/16bit，一般选8bit（宏定义）；
uint16_t SPI_CPOL：时钟极性（宏定义）；
uint16_t SPI_CPHA：时钟相位（宏定义）；
uint16_t SPI_NSS：NSS软件/硬件模式（宏定义）；
uint16_t SPI_BaudRatePrescaler：波特率分频；
uint16_t SPI_FirstBit;：MSB先行/LSB先行；
uint16_t SPI_CRCPolynomial：CRC校验，不用就随便写7；
九、SPI软件模拟
1、模拟SPI4根线：SCK、MOSI（主机输出）、MISO（主机输入）、CS片选；STM32F103系列：
SCK：推挽输出GPIO_Mode_Out_PP；
MOSI：推挽输出GPIO_Mode_Out_PP；
CS：推挽输出GPIO_Mode_Out_PP；
MISO：上拉输入GPIO_Mode_IPU，是flash发给STM32，主机只读，不能配为输出；如果配为浮空输入，外部干扰易读到乱码。
2、Mode0时序：
片选CS拉低→先放MOSI数据→SCK拉高数据→读MISO→SCK拉低。
1）先放MOSI数据（准备阶段）
前提：主机先将片选信号(CS)拉低，激活从机。在SCK产生第一个上升沿之前，主机必须把第一位数据（通常是最高位MSB）稳定放MOSI线上。从机也会同步把第一位数据放在MISO线上。
2）SCK拉高数据（锁存阶段）
SCK产生上升沿，在这个瞬间，主从机同时读取对方数据线上的电平状态，并锁存到各自的移位寄存器中。
3）读MISO（接收阶段）
主机内部硬件自动将MISO线上刚锁存的状态读入，完成1位数据的接收。
4）SCK拉低（切换阶段）
SCK产生下降沿，主机和从机同时改变各自数据线的电平，准备下一位数据，然后流程回到第2步，直到8位数据传完。
总结：放数据→拉高采样→读数据→拉低换数据。也就是：数据在SCK为低电平时准备好，在上升沿被读取。
3、代码部分
MySPI.c文件
#include "stm32f10x.h" void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue) { GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,(BitAction)BitValue); } void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue) { GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_5,(BitAction)BitValue); } uint8_t MySPI_R_MISO() { return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_6); } void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue) { GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_7,(BitAction)BitValue); } void MySPI_Init() { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5 |GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz ; GPIO_Init(GPIOA,& GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz ; GPIO_Init(GPIOA,& GPIO_InitStructure); MySPI_W_SCK(0); MySPI_W_SS(1); } void MySPI_Start() { MySPI_W_SS(0); } void MySPI_Stop() { MySPI_W_SS(1); } uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t SendByte) { uint8_t i; uint8_t ReceiveByte =0x00; for(i =0;i<8;i++) { MySPI_W_MOSI(SendByte &(0x80>>i)); MySPI_W_SCK(1); if(MySPI_R_MISO()==1) { ReceiveByte|=(0x80>>i); } MySPI_W_SCK(0); } return ReceiveByte ; }2、MySPI.h文件
#ifndef __MYSPI_H #define __MYSPI_H void MySPI_Init(); void MySPI_Start(); void MySPI_Stop(); uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t SendByte); #endif本文完！
