简介

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。
SPI总共需要4根线来实现通信，NSS：片选线，用于选择需要通信的从机；CLK：同步时钟线，用于提供同步时钟信号；MISO：主机读从机写线；MOSI：主机写从机读线。
GD32F103系列的SPI最高速度为18MHz。

片选线

SPI的片选逻辑要比I2C的简单得多，通常一个SPI外设会有多条片选线，如下图。

所以我们想要与哪个从机进行通信，那么只需要拉低对应从机的片选线即可，无需像I2C那样要通过传送从机地址来片选对应的从机。

不过GD32的SPI外设好像只有一条片选线，目前我还没有见过有多条片选线的SPI外设，可能高级一点的型号会有吧

时序

因为SPI为同步通信协议，因此通信要配合同步时钟信号，时序如下图。

值得注意的是时钟线有4种不同的时序，通过CKPH和CKPL两个配置位进行配置，CKPH配置的是第一或第二个时钟边沿为有效采样边沿，CKPL配置的是空闲状态时时钟线的电平。

运行模式

SPI外设有好几种运行模式，分别有——全双工主机模式、单向线连接主机发送模式、单向线连接主机接收模式、双向线连接主机发送模式、双向线连接主机接收模式、全双工从机模式、单向线连接从机发送模式、单向线连接从机接收模式、双向线连接从机发送模式、双向线连接从机接收模式。
其实简单点说就是，虽然SPI是一个全双工的通信协议，但通过配置可以使它工作在全双工、半双工和单工的状态，配置十分灵活。
全双工的接线示意图

半双工接线示意图

单工接线示意图

基本发送和技术流程

主机发送

简要流程：

1. 配置SPI外设的时序，使能SPI外设
2. 拉低对应从机NSS线电平
3. 软件写一个数据到发送缓冲区
4. 数据帧从数据缓冲区加载到移位寄存器中，开始发送加载的数据
5. 数据帧的第一位发送之后，TBE位置1
6. 如果有更多数据则重复第3-5步
7. 等待TRANS置0，关闭时钟信号输出，释放片选线，数据传输结束

说明：
TBE全称Transmit Buffer Empty，“发送缓冲区空”标志位。
TRANS，“通信进行中”标志位。

主机接收

简要流程：

1. 配置SPI外设的时序，使能SPI外设
2. 拉低对应从机NSS线电平
3. 输出SCK时钟信号
4. 接收到的数据将从移位寄存器存入到接收缓冲区，且RBNE位置1
5. 软件读取接收缓冲区，RBNE位置0
6. 如果有更多数据则重复第4-5步
7. 等待TRANS置0，关闭时钟信号输出，释放片选线，数据传输结束

说明：
RBNE全称Read Buffer Not Empty，"接收缓冲区非空"标志位。

从机发送

简要流程：

1. 配置SPI外设的时序，使能SPI外设
2. 软件写第一个数据到发送缓冲区
3. 等待NSS线电平为低，SCK线开始翻转
4. 数据帧从数据缓冲区加载到移位寄存器中，开始发送加载的数据
5. 数据帧的第一位发送之后，TBE位置1
6. 如果有更多数据，在每一次TBE置1时都可将数据写入发送缓冲区
7. 等待TRANS置0，数据传输结束

从机接收

简要流程：

1. 配置SPI外设的时序，使能SPI外设
2. 等待NSS线电平为低，SCK线开始翻转
3. 接收到的数据将从移位寄存器存入到接收缓冲区，且RBNE位置1
4. 软件读取接收缓冲区，RBNE位置0
5. 如果有更多数据则重复第4-5步
6. 等待TRANS置0，数据传输结束

例程

STM32F103C8T6有两个SPI外设，对应管脚映射如下：

主机和从机全双工通信

现象：主机从机每2秒同时发送一组数据，同时接收一组数据

spi.c文件

#include "spi.h"

void SPI_MasterInit(void)
{
    /* 初始化GPIO */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    /* SPI0 GPIO: NSS/PA4, SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7);
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);

    /* 初始化SPI */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI0);
    
    spi_parameter_struct spi_init_struct = {0};
    spi_struct_para_init(&spi_init_struct);
    
    spi_init_struct.trans_mode           = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;  // 全双工模式
    spi_init_struct.device_mode          = SPI_MASTER;  // 主机模式
    spi_init_struct.frame_size           = SPI_FRAMESIZE_8BIT;  // 8位数据
    spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;  // 空闲电平为低，第一个边沿采样
    spi_init_struct.nss                  = SPI_NSS_HARD;  // 硬件片选
    spi_init_struct.prescale             = SPI_PSC_8;  // 时钟8分频，108MHz / 8 = 13.5MHz
    spi_init_struct.endian               = SPI_ENDIAN_MSB;  // 大端模式
    spi_init(SPI0, &spi_init_struct);
    
    spi_nss_output_enable(SPI0);
    spi_enable(SPI0);
}

void SPI_SlaveInit(void)
{
    /* 初始化GPIO */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
    /* SPI0 GPIO: NSS/PB12, SCK/PB13, MISO/PB14, MOSI/PB15 */
    gpio_init(GPIOB, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_14);
    gpio_init(GPIOB, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13 | GPIO_PIN_15);

    /* 初始化SPI */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI1);
    
    spi_parameter_struct spi_init_struct = {0};
    spi_struct_para_init(&spi_init_struct);
    
    spi_init_struct.trans_mode           = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;  // 全双工模式
    spi_init_struct.device_mode          = SPI_SLAVE;  // 从机模式
    spi_init_struct.frame_size           = SPI_FRAMESIZE_8BIT;  // 8位数据
    spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;  // 空闲电平为低，第一个边沿采样
    spi_init_struct.nss                  = SPI_NSS_HARD;  // 硬件片选
    spi_init_struct.prescale             = SPI_PSC_8;  // 时钟8分频，108MHz / 8 = 13.5MHz
    spi_init_struct.endian               = SPI_ENDIAN_MSB;  // 大端模式
    spi_init(SPI1, &spi_init_struct);
    
    spi_enable(SPI1);
}

void SPI_MasterSlaveFullduplex(void)
{
    uint8_t master_tx_buf[16] = {0};
    uint8_t master_rx_buf[16] = {0};
    uint8_t slave_tx_buf[16] = {0};
    uint8_t slave_rx_buf[16] = {0};
    
    memset(master_tx_buf, 0x00, sizeof(master_tx_buf));
    memset(master_rx_buf, 0x00, sizeof(master_rx_buf));
    memset(slave_tx_buf, 0x00, sizeof(slave_tx_buf));
    memset(slave_rx_buf, 0x00, sizeof(slave_rx_buf));
    
    for(uint8_t i = 0; i < 16; ++i)
    {
        master_tx_buf[i] = 0x80 + i;
        slave_tx_buf[i] = 0x40 + i;
    }
    
    printf("Master send: ");
    for(uint8_t i = 0; i < 16; ++i)
    {
        printf("%x ", master_tx_buf[i]);
    }
    printf("\n");
    
    printf("Slave send: ");
    for(uint8_t i = 0; i < 16; ++i)
    {
        printf("%x ", slave_tx_buf[i]);
    }
    printf("\n");

    for(uint8_t i = 0; i < 16; ++i)
    {
        while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI1, SPI_FLAG_TBE));
        spi_i2s_data_transmit(SPI2, slave_tx_buf[i]);
        while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TBE));
        spi_i2s_data_transmit(SPI0, master_tx_buf[i]);
        while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI1, SPI_FLAG_RBNE));
        slave_rx_buf[i] = spi_i2s_data_receive(SPI2);
        while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_RBNE));
        master_rx_buf[i] = spi_i2s_data_receive(SPI0);
    }
    
    printf("Master receive: ");
    for(uint8_t i = 0; i < 16; ++i)
    {
        printf("%x ", master_rx_buf[i]);
    }
    printf("\n");
    
    printf("Slave receive: ");
    for(uint8_t i = 0; i < 16; ++i)
    {
        printf("%x ", slave_rx_buf[i]);
    }
    printf("\n");
}

main.c文件

#include "gd32f10x.h"
#include "main.h"
#include "systick.h"
#include "usart.h"
#include "spi.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void)
{	
    systick_config();
    USART_Config();
    SPI_MasterInit();
    SPI_SlaveInit();
        
    while(1)
    {
        SPI_MasterSlaveFullduplex();
        delay_ms(2000);
    }
}