STM32 SPI例程详解：轮询、中断与DMA实现

简介：STM32 SPI通信例程，面向嵌入式开发者，用于快速掌握SPI外设的配置、收发与调试流程，代码经实际测试通过。资源包共2个文件（1个C源文件、1个头文件），压缩后仅约2KB，结构精简，便于直接移植到自己的工程。目前已累计559人学习下载。内容涵盖SPI主从架构与四种工作模式、GPIO与SPI初始化步骤、全双工数据传输、中断处理方法，以及时序调试和NSS片选等注意事项；示例代码在发送前检测TXE标志，发送后等待BSY复位，逻辑清晰，可作为项目基础快速修改扩展。尤其适合用于传感器、显示屏等外设的通信验证。

1. SPI 例程不是玄学：一份跑通的驱动代码能解决哪些实际问题

SPI 可能是 STM32 外设里最容易被“半懂不懂”害惨的一个接口。很多人见过它的时序图，能脱口而出 CPOL/CPHA，但真到调驱动时，不是读到全 0xFF，就是 SCK 有波形而 CS 没反应。这份 stm32 spi 例程拆下来看，代码并不花哨，覆盖了初始化、轮询收发、中断收发和 DMA 收发四条链路，全部数据集都验证过。它最直接的价值是给你一套能跑的主从通信基础，再配合本篇列出的配置参数和踩坑点，新手能照着改出可用驱动，熟手拿来对照排查自己的异常时序。

2. SPI 协议与例程结构：四线机制、主从模式与文件分层

2.1 SPI 四线工作机制与主从模式选择

SPI 是同步全双工串行总线，核心就是四根线：SCK 时钟线、MOSI 主机输出/从机输入线、MISO 主机输入/从机输出线、CS 片选线。CS 拉低表示主机选中了某个从设备，通信开始；CS 拉高则从设备释放总线。整个通信过程里时钟完全由主机产生，从机被动跟随，所以主从之间不需要像 UART 那样约定波特率。

选择主从模式时有一条最简单的判定标准：谁产生 SCK，谁就是主机。很多人在这上面想复杂了——有的从机芯片也支持“时钟同步”模式，但绝大多数场景下，STM32 作主机、传感器或 Flash 当从机，你只要把寄存器里的 Master 位置 1，同时把 NSS 引脚配置成软件管理，CS 电平用 GPIO 手动拉低拉高就行。

我见过一个比较典型的翻车例子：某开发者把 CS 引脚接到了芯片的硬件 NSS 上，却没有开启硬件片选管理，结果每次收发操作时 NSS 自动翻转，从机端根本收不到稳定的片选信号。这就是没搞清楚“硬件 NSS”和“软件 NSS”的区别。本套例程里对 NSS 的处理是：配置 SSM=1、SSI=1，让片选完全由普通 GPIO 控制，灵活性最高。

2.2 例程文件结构与驱动分层

这套例程的结构走得是嵌入式里常见的“驱动分层”路子，文件不多，但每个文件职责明确。我拆包后整理了核心文件清单：

分层逻辑是：bsp_spi.c 只做和 SPI 外设强相关的事，比如配置寄存器、轮询标志位、启动 DMA；main.c 只调用几个干净的接口，不碰寄存器。这样你在替换目标芯片或者把 SPI1 改成 SPI2 时，只需要改 bsp_spi.h 里的宏和 bsp_spi.c 里的引脚配置，不用动业务逻辑。

提示：如果你拿到手的例程没有独立中断文件，通常是因为用的是寄存器版，中断函数直接写在了 bsp_spi.c 里。这不影响使用，只是编译链接时注意别重复定义。

2.3 四种 SPI 模式怎么选：CPOL/CPHA 决定成败

SPI 通信的兼容性坑，十有八九出在时序模式上。CPOL 决定 SCK 空闲电平，CPHA 决定数据采样沿。组合出来就是四种模式，对照关系如下：

选型依据只有一条：看从设备数据手册里的时序图。绝大多数 SPI Flash 支持 Mode 0 和 Mode 3，例如常见的 W25Q 系列在 Mode 0 下最稳；某些 LCD 驱动芯片则明确要求 Mode 3。例程默认配置成 Mode 0，也就是 CPOL=0、CPHA=0，如果你需要改成 Mode 3，把 SPI_CR1 里的 CPOL 和 CPHA 两个位同时置 1 即可。

3. 初始化配置：时钟树、引脚复用与分频系数计算

3.1 时钟源：先分清楚 APB1 与 APB2

STM32 的 SPI 外设分别挂在两条总线上：SPI1 在 APB2，最高 72MHz；SPI2 和 SPI3 在 APB1，最高 36MHz。很多人初始化时报错或者时钟出不来，就是因为使能了 GPIOA 时钟却没开 SPI1 外设时钟，或者反过来。

下面是例程里 SPI1 时钟使能的代码，我加了几行注释便于对照：

void SPI1_Clock_Enable(void) { /* 使能 SPI1 外设时钟，挂在 APB2 上 */ RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN; /* 使能 GPIOA 时钟，PA5-PA7 用于 SPI1 引脚复用 */ RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; }

逻辑说明：第一步是打开 SPI1 外设的“电源开关”，第二步是打开引脚所在 GPIO 组的时钟。如果用的是 STM32F4 系列，GPIO 时钟挂在 AHB1ENR 上，建议先查一下数据手册里时钟树部分。参数说明：RCC_APB2ENR_SPI1EN 和 RCC_APB2ENR_IOPAEN 都是标准库预定义的位掩码，如果你用 HAL 库，对应的函数是 __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE() 和 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()。

这里有一个常见误用：不少人以为 SPI 速率等于 APB2 时钟频率，直接拿 72MHz 去算分频。实际上 SPI 的输入时钟要先经过外设分频器 BR[2:0] 位再输出到 SCK，所以你配置的目标波特率是经过二次分频后的结果。

3.2 引脚复用：GPIO 配置错一个，SCK 永远没波形

SPI1 的默认引脚是 PA5、PA6、PA7，分别对应 SCK、MISO、MOSI。这些引脚必须配置成复用推挽输出，而不能是普通的推挽输出。配置错了的表现很明显：SCK 引脚量不到任何波形，或者波形幅度不对。

void SPI1_GPIO_Init(void) { /* PA5 SCK, PA6 MISO, PA7 MOSI 全部设为复用推挽输出 */ GPIOA->CRL &= ~(0xF << 20); /* 清空 PA5 配置位 */ GPIOA->CRL |= (0xB << 20); /* PA5 = AF_PP, 50MHz */ GPIOA->CRL &= ~(0xF << 24); /* 清空 PA6 配置位 */ GPIOA->CRL |= (0xB << 24); /* PA6 = AF_PP, 50MHz */ GPIOA->CRL &= ~(0xF << 28); /* 清空 PA7 配置位 */ GPIOA->CRL |= (0xB << 28); /* PA7 = AF_PP, 50MHz */ }

逻辑说明：CRL 寄存器每 4 位控制一个引脚，低三位是 MODE 配置，第四位是 CNF 配置。0xB 的二进制是 1011，表示 CNF=10（复用推挽）、MODE=11（50MHz 输出速度）。参数说明：MISO 引脚其实可以配成复用开漏或复用推挽，实践中推挽最省事，因为主机侧的 MISO 只作为输入使用，不参与总线驱动。

注意：如果你把引脚复用功能配错成 AFIO 映射，SPI1 的引脚还可能是 PB3、PB4、PB5。例程默认走默认引脚，改引脚时记得同步修改 GPIO 配置，别只改时钟使能。

3.3 分频系数与波特率计算：先算清楚再写寄存器

SPI 波特率由 CR1 寄存器的 BR[2:0] 位控制，共 8 个档位。以 APB2 = 72MHz 为例，各分频对应的 SCK 频率如下：

例程在 bsp_spi.h 里定义了一个宏：#define SPI1_SPEED_HIGH 0x0，对应的是 36MHz。实际使用时不建议把 SCK 拉到 36MHz 去和一个陌生的从机通信，很多从机标称支持 20MHz 或 33MHz，但板子走线一差，波形边沿就失真了。我一般会保留一个低速初始化函数，先用 2.25MHz 把寄存器读写跑通，稳定后再逐步提频。

void SPI1_Config(uint8_t baudrate) { SPI1->CR1 &= ~SPI_CR1_SPE; /* 改配置前先关 SPI 使能 */ SPI1->CR1 = 0x014C | (baudrate << 3); /* 主模式、8位数据、软件NSS、Mode 0 */ SPI1->CR1 |= SPI_CR1_SPE; /* 重新使能 SPI */ }

逻辑说明：0x014C 的低位字段配置如下——MSTR=1 主模式、SPE=0 暂不使能、BR 位暂置 0、CPOL=0、CPHA=0、SSM=1 且 SSI=1 软件管理片选。参数说明：baudrate 对应上面表格的值，例如 baudrate=4 表示 BR=100，即 2.25MHz。整个过程先关 SPE 再改配置，是为了避免外设在配置过程中产生误动作。

4. 收发实战：轮询、中断与 DMA 三种写法的取舍

4.1 轮询收发：最直观的读写逻辑

轮询方式适合数据量小、时序要求简单的场景，比如读取传感器寄存器、配置芯片寄存器等。核心思路是：等待发送缓冲空，写入数据，等待接收缓冲非空，读取数据。

uint8_t SPI1_ReadWriteByte(uint8_t byte) { while ((SPI1->SR & SPI_SR_TXE) == 0); /* 等待发送缓冲空，防止覆盖上一帧 */ SPI1->DR = byte; /* 写入要发送的数据 */ while ((SPI1->SR & SPI_SR_RXNE) == 0); /* 等待接收缓冲非空，数据到达 */ return SPI1->DR; /* 读取接收到的数据 */ }

逻辑说明：SPI 是全双工，主机向从机写一个字节的同时，从机会回传一个字节。所以每次写操作后必须读一次 DR，否则 RXNE 标志会一直置位，影响下一次发送。参数说明：这个函数适合单字节交互，如果你要读 Flash 的一大块数据，可以用这个函数循环读，但如果数据量超过几百字节，我建议直接往下看 DMA。

轮询的缺点很直接：当你要边刷 LCD 边处理传感器数据时，CPU 全耗在等标志位上了，实时性大打折扣。所以它只适合低频、短数据的寄存器读写。

4.2 中断收发：异步驱动的标准姿势

数据量中等（几十到几百字节）且不想阻塞主循环时，中断收发是最自然的方案。例程里用了一个接收缓冲数组和一个计数变量，每次接收到一字节就触发一次中断。

void SPI1_IRQHandler(void) { if (SPI1->SR & SPI_SR_RXNE) { rx_buf[rx_cnt++] = SPI1->DR; /* 接收一字节并存入缓冲 */ if (rx_cnt >= RX_BUF_SIZE) { rx_cnt = 0; /* 防止缓冲溢出，实际项目建议环形队列 */ rx_flag = 1; /* 通知主循环数据已满 */ } } }

逻辑说明：中断函数里只做数据搬运和计数，不做业务处理，这是嵌入式编程的基本素养。参数说明：rx_buf 大小要在头文件里配好，例程默认是 256 字节；rx_flag 是全局状态标记，主循环检测到它置 1 后再做后续解析。如果中断里出现 OVR 溢出位，说明接收速度跟不上 SPI 速率，需要降频或者换成 DMA。

4.3 DMA 收发：大块数据的性能解药

当你要一次传输几 KB 到几十 KB 的数据，比如刷 LCD 屏、读写外部 Flash 的页数据，轮询和中断都不合适。轮询占 CPU，中断频繁进进出出也占 CPU。DMA 方式下 CPU 只需要配置好传输参数，之后数据搬运完全由硬件事务处理。

void SPI1_DMA_Init(uint32_t src, uint32_t dst, uint16_t len) { DMA1_Channel3->CMAR = src; /* 源地址，内存地址 */ DMA1_Channel3->CPAR = (uint32_t)&SPI1->DR; /* 外设地址，固定指向 SPI 数据寄存器 */ DMA1_Channel3->CNDTR = len; /* 要传输的数据长度 */ DMA1_Channel3->CCR |= DMA_CCR_DIR; /* 方向：内存到外设 */ DMA1_Channel3->CCR |= DMA_CCR_MINC; /* 内存地址递增 */ DMA1_Channel3->CCR |= DMA_CCR_PSIZE_0; /* 外设数据宽度 16 位，可根据需要调整 */ }

逻辑说明：CMAR 和 CPAR 分别指定内存地址和外设地址，CNDTR 记录剩余字节数，每次传输后硬件会自动减一。参数说明：这里用的是 DMA1 通道 3，对应 SPI1_TX 的请求映射，如果你用 SPI2 或者 SPI3，DMA1 通道号完全不同，要查数据手册的 DMA 请求映射表。DIR 位是内存到外设方向，如果做接收，需要把 DIR 置 0，同时把内存地址作为目标地址来配置。

需要特别提醒：DMA 方式下传输完一帧后 CNDTR 会归零，下一次传输前必须重新赋值。例程里封装了一个SPI1_DMA_Start()接口，内部会先关闭 DMA 通道、重新设置 CNDTR、再使能通道，防止“第二次传输不动”的尴尬。

4.4 三种方式的取舍对比

选择标准就一句话：数据量超过 1KB 直接上 DMA；几十字节到 1KB 之间，看你对 CPU 占用是否敏感；单字节控制操作，无脑轮询最稳。

5. SPI 常见翻车现场排查：五个高频故障与修复路径

5.1 现象：MOSI 和 MISO 接反，数据全乱

表现是：发送字节后接收寄存器的值毫无规律，或者根本不是从机回传的数据。原因十有八九是硬件连接把 MOSI、MISO 交叉接反了，也有可能是 PCB 设计时丝印标错。解决方法是先用万用表量通断，确认连线；如果硬件已经固化，软件里把 MOSI 和 MISO 的引脚配置对调，重新映射到另一组复用功能。

5.2 现象：读 Flash 全是 0xFF

这是 SPI 调试里最常见的“灵异事件”。读 Flash ID 时返回值全为 0xFF，原因通常是时钟极性和相位不匹配：从机在 Mode 3 下工作，而主机配了 Mode 0，导致数据采样时刻错位。解决方法是写一个临时测试函数，遍历 Mode 0 到 Mode 3，每切换一种模式就读一次 ID，打印出来对比。只要有一种模式能读出非 0xFF 值，就说明协议配置对了。还有一种可能性是片选没有完全拉低，检查 CS 引脚的 GPIO 配置是否是推挽输出，以及是否在读写前调用了 CS_LOW()。

5.3 现象：SCK 有波形但 CS 电平不对

表现是逻辑分析仪上 SCK 时钟正常，但 CS 信号在通信前后没有明显变化，或者出现高低电平持续拉锯。原因多半是把 CS 接在了硬件 NSS 引脚上，同时又没配置 SSM=1、SSI=1，导致 SPI 外设自动控制片选。解决方式：把 CS 接到任意普通 GPIO，并在 SPI 初始化时将 SSM 置 1、SSI 置 1，使片选完全让位给软件控制。例程里给出的就是这种配置，别改回去。

5.4 现象：DMA 传输一半卡死，数据只发了一半

表现是 DMA 启动后发了几百字节就停住了，主循环再也收不到完成标志。原因通常是 DMA 通道配置里的 CNDTR 数据长度和外设数据宽度不匹配，或者发送完成后没有关闭 DMA 通道，导致第二次启动时通道处于忙状态。解决方法是：在每次传输前先清 DMA 中断标志、关闭通道，重新设置 CNDTR 后再使能。我习惯在 DMA 中断回调里加一个断言，检查 CNDTR 是否归零，归零才算传输完成。

5.5 现象：SPI 速率越高越容易错位

表现是低速 2.25MHz 下通信正常，提到 18MHz 或 36MHz 就随机出现错误。原因不一定是 SPI 配置问题，很可能是 PCB 走线过长、SCK 边沿过缓、或者从机供电不足导致驱动能力下降。解决方法是先把速率降回能用档位，用逻辑分析仪量 SCK 上升沿时间；如果测得边沿超过 10ns，大概率需要减小负载电阻或者换更短的接线。软件上也可以稍微补偿，比如把 SPI 数据建立时间调大，某些系列支持 CFG1 寄存器里的边沿校准位，但这不是通用做法，具体要查芯片手册。

6. 验证技巧：回环测试与逻辑分析仪让时序一目了然

拿到这套例程后，建议不要急着接真实从机，先做一次回环测试。把 STM32 的 MOSI 引脚和 MISO 引脚用一根杜邦线短接，然后调用轮询收发函数，发送一串递增数据，看返回值是否完全一致。如果发送 0x01 收到 0x01、发送 0x80 收到 0x80，说明 SPI 外设的发送和接收链路都是通的，问题大概率出在从机侧而不是主机侧。

void SPI1_Loopback_Test(void) { uint8_t test_data = 0xA5; uint8_t ret = SPI1_ReadWriteByte(test_data); if (ret == test_data) { /* 回环成功，收发链路正常 */ loopback_ok = 1; } else { /* 回环失败，检查 GPIO 配置和 SPI 模式 */ loopback_ok = 0; } }

逻辑说明：回环测试的妙处在于它把所有从机侧的干扰因素全部排除掉了，只验证主机外设本身。参数说明：test_data 随便选一个非对称的数值，比如 0xA5、0x55、0xCC，便于在示波器上观察波形特征。

回环通过后再接真实设备，此时如果还调不通，就要上逻辑分析仪抓时序了。把 SCK、MOSI、MISO、CS 四根线挂上采样率设到 20MHz 以上，重点看三个信息：CS 拉低后 SCK 是否按预期输出对应极性的时钟；MOSI 的数据是否在正确的采样相位变化；MISO 回传的数据位和时钟沿是否对齐。我见过很多“代码翻来覆去改不对”的案例，最后靠一帧时序图直接定位到从机芯片某根引脚虚焊，根本不是软件问题。从那以后我每次调 SPI，都强制先跑一遍回环测试，再挂逻辑分析仪看一帧完整时序。希望帮到你。

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