STM32 SPI通信详解：从时序到W25Q64 Flash驱动

上一篇I2C讲了SHT30传感器，这篇讲SPI。
SPI是嵌入式里速率最高的通信协议之一——刷屏、读写Flash、连SD卡全靠它。
这篇从SPI协议原理讲到W25Q64 Flash驱动实战，附4种工作模式和DMA加速技巧。

一、SPI vs I2C：什么时候用SPI？

选型原则：

• 低速传感器（<1MHz）→ I2C（省引脚）
• 高速设备（Flash/屏幕）→SPI（速度快）

我做LVGL项目时，480×480屏幕刷一帧要460KB数据，I2C完全扛不住，必须用SPI。W25Q64存字库和图片资源，也是SPI。

二、SPI的4根线

主设备(MCU) 从设备(Flash/屏幕) ┌──┐ ┌──┐ │ │ SCLK ──────────────►│ │ 时钟线（主→从） │ │ MOSI ──────────────►│ │ 主出从入（主→从） │ │ MISO ◄──────────────│ │ 主入从出（从→主） │ │ CS ──────────────►│ │ 片选（低有效） └──┘ └──┘

关键：SPI是全双工的——MOSI和MISO同时工作，发一个字节的同时也能收一个字节。这是SPI比I2C快的核心原因。

三、SPI通信时序

3.1 基本时序

SCLK: ‾\_/‾\_/‾\_/‾\_/‾\_/‾\_/‾\_/‾\_ 1 2 3 4 5 6 7 8 (8个时钟=1字节) MOSI: ─D7─D6─D5─D4─D3─D2─D1─D0─► MISO: ◄─D7─D6─D5─D4─D3─D2─D1─D0─ CS: ___/‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾\___ 选中 取消选中

1. 主设备拉低CS，选中从设备
2. 主设备产生SCLK时钟
3. 每个时钟周期，MOSI上发1bit，同时MISO上收1bit
4. 8个时钟周期 = 传输1字节（收发同时完成）
5. 传输完成，主设备拉高CS

3.2 SPI的4种工作模式（CPOL + CPHA）

这是SPI最难理解的部分，面试常考。

CPOL（Clock Polarity，时钟极性）：

• CPOL=0：空闲时SCLK为低电平
• CPOL=1：空闲时SCLK为高电平

CPHA（Clock Phase，时钟相位）：

• CPHA=0：第1个时钟边沿采样（前沿采样）
• CPHA=1：第2个时钟边沿采样（后沿采样）

组合出4种模式：

怎么选：查从设备的Datasheet！比如W25Q64支持Mode 0和Mode 3，触摸屏控制芯片GT911用Mode 0。配错了通信必然乱码。

记忆口诀：CPOL看"空闲时SCLK高还是低"，CPHA看"第几个边沿采样"。

四、STM32 SPI配置

以SPI1（PA5-SCK, PA6-MISO, PA7-MOSI）连接W25Q64为例。

4.1 HAL库版（CubeMX）

CubeMX配置：

SPI1 → Mode: Full-Duplex Master（全双工主模式） Parameter Settings: Frame Format: Motorola ← Motorola格式是SPI的标准帧格式（另一种TI格式极少使用），默认选Motorola即可 Data Size: 8 Bit First Bit: MSB First Prescaler: 4 → 72MHz/4 = 18MHz (W25Q64最大支持104MHz) Clock Polarity (CPOL): Low Clock Phase (CPHA): 1 Edge → 即 SPI Mode 0 CS引脚：用GPIO输出（PA4），手动控制

代码：

/* 收发一个字节（全双工） */uint8_tspi_rw(uint8_ttx_data){uint8_trx_data;HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1,&tx_data,&rx_data,1,100);returnrx_data;}/* CS控制 */#defineCS_LOW()HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_RESET)#defineCS_HIGH()HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_SET)/* 读取W25Q64 ID */uint16_tw25q64_read_id(void){uint16_tid;CS_LOW();spi_rw(0x9F);/* 读ID命令 */id=spi_rw(0xFF)<<8;/* 制造商ID（高字节） */id|=spi_rw(0xFF);/* 设备ID（低字节） */CS_HIGH();returnid;/* W25Q64返回 0xEF16 */}

4.2 寄存器版

voidspi1_init(void){RCC->APB2ENR|=(1<<12);/* SPI1时钟 */RCC->APB2ENR|=(1<<2);/* GPIOA时钟 *//* PA5(SCK) PA7(MOSI) 复用推挽, PA6(MISO) 浮空输入 *//* CRL寄存器每4位控制一个引脚，PA5在bit20-23, PA6在bit24-27, PA7在bit28-31 *//* 先清零这3个引脚的配置位 */GPIOA->CRL&=~(0xFFF<<20);/* 0xB3 = 二进制10110011 * PA5(SCK) = 0xB(1011) = 复用推挽输出50MHz * PA6(MISO) = 0x4(0100) = 浮空输入（注意这里0xB3的中间4位是0x4） * PA7(MOSI) = 0xB(1011) = 复用推挽输出50MHz * 三个引脚的配置值合并写入CRL的对应位置 */GPIOA->CRL|=(0xB3<<20);SPI1->CR1=0;SPI1->CR1|=(0<<0);/* CPHA=0 */SPI1->CR1|=(0<<1);/* CPOL=0 → Mode 0 */SPI1->CR1|=(1<<2);/* 主模式 */SPI1->CR1|=(0<<11);/* 8位数据 */SPI1->CR1|=(1<<9);/* 软件管理CS */SPI1->CR1|=(3<<3);/* 波特率÷16 = 4.5MHz */SPI1->CR1|=(1<<6);/* 使能SPI */}uint8_tspi_rw(uint8_tdata){while(!(SPI1->SR&(1<<1)));/* 等TXE发送缓冲空 */SPI1->DR=data;while(!(SPI1->SR&(1<<0)));/* 等RXNE接收缓冲非空 */returnSPI1->DR;}

五、W25Q64 Flash驱动实战

W25Q64是64Mbit（即8MB）的SPI Flash，常用于存字库、图片、配置数据。

MB和Mbit的区别：1 Byte = 8 bit，所以64Mbit = 64÷8 = 8MB。Flash芯片通常用Mbit标注容量（因为芯片内部按bit存储），但我们编程时用Byte（字节）计算。W25Q64 = 64Mbit = 8MB = 8388608字节。

5.1 常用命令

5.2 读数据

voidw25q64_read(uint32_taddr,uint8_t*buf,uint16_tlen){CS_LOW();spi_rw(0x03);/* 读数据命令 */spi_rw((addr>>16)&0xFF);/* 地址高字节 */spi_rw((addr>>8)&0xFF);/* 地址中字节 */spi_rw(addr&0xFF);/* 地址低字节 */for(uint16_ti=0;i<len;i++){buf[i]=spi_rw(0xFF);/* 发0xFF读数据 */}CS_HIGH();}

5.3 写数据（需先擦除）

/* 等待Flash空闲 */voidw25q64_wait_busy(void){CS_LOW();spi_rw(0x05);/* 读状态 */while(spi_rw(0xFF)&0x01);/* bit0=1表示忙 */CS_HIGH();}/* 写使能 */voidw25q64_write_enable(void){CS_LOW();spi_rw(0x06);CS_HIGH();}/* 页写（最多256字节） */voidw25q64_page_write(uint32_taddr,uint8_t*buf,uint16_tlen){if(len>256)len=256;/* 每页最大256字节 */w25q64_write_enable();CS_LOW();spi_rw(0x02);/* 页写命令 */spi_rw((addr>>16)&0xFF);spi_rw((addr>>8)&0xFF);spi_rw(addr&0xFF);for(uint16_ti=0;i<len;i++){spi_rw(buf[i]);}CS_HIGH();w25q64_wait_busy();/* 等写完成 */}

5.4 擦除扇区

voidw25q64_erase_sector(uint32_taddr){w25q64_write_enable();CS_LOW();spi_rw(0x20);/* 扇区擦除命令 */spi_rw((addr>>16)&0xFF);spi_rw((addr>>8)&0xFF);spi_rw(addr&0xFF);CS_HIGH();w25q64_wait_busy();/* 擦除较慢，约几百ms */}

Flash特性：Flash的存储单元默认状态是1，写入操作只能把1变成0，不能把0变成1。要把0变回1，必须通过擦除操作（整片变回1）。所以写之前必须先擦除。擦除最小单位是4KB扇区。

六、SPI + DMA加速

刷屏时用CPU轮询SPI太慢，用DMA能提速3-4倍。

6.1 DMA发送

/* DMA方式发送大量数据 */HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1,frame_buf,460800);/* 发送完成回调 */voidHAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef*hspi){CS_HIGH();/* 拉高CS */lv_disp_flush_ready(&disp_drv);/* 通知LVGL */}

6.2 性能对比

LVGL项目从30fps到60fps，关键就是SPI换成了DMA方式。

七、多从设备怎么接？

SPI支持一主多从，每个从设备用独立CS：

MCU ──SCLK──────────┬── Flash SCLK └── LCD SCLK ──MOSI──────────┬── Flash MOSI └── LCD MOSI ──MISO──────────┬── Flash MISO └── LCD MISO ──CS1 ────────── Flash CS ──CS2 ────────── LCD CS

通信时只拉低目标设备的CS，其他设备CS保持高。这样SCLK/MOSI/MISO可以共享，节省引脚。

/* 选中Flash通信 */FLASH_CS_LOW();spi_rw(0x9F);FLASH_CS_HIGH();/* 选中LCD通信 */LCD_CS_LOW();spi_rw(lcd_cmd);LCD_CS_HIGH();

注意：同一时刻只能有一个从设备CS为低，否则数据会冲突。

八、常见踩坑

坑1：通信全是0xFF或0x00

原因：

1. CPOL/CPHA配错——查Datasheet确认模式
2. CS没拉低——开始通信前必须CS_LOW()
3. MISO/MOSI接反——交叉连接，主MOSI接从MOSI（不是MISO！）

注意：SPI的MOSI接MOSI，MISO接MISO，同名相接（不像UART交叉）。新手常搞混。

坑2：Flash写不进去

原因：

1. 没发写使能命令(0x06)——每次写/擦前必须发
2. 没擦除就写——Flash只能1写0，写前必须擦除
3. 跨页写——每页256字节，跨页写会回卷覆盖前面数据

解决：严格按"写使能→写数据→等忙"流程，跨页时分段写。

坑3：读到的数据错位

原因：SPI的TransmitReceive是全双工的，发的同时也在收。如果只发不收，接收缓冲区会溢出，导致下次读数据错位。

解决：用HAL_SPI_TransmitReceive而非HAL_SPI_Transmit，即使不想收数据也要读DR寄存器清空。

/* 错误：只发不收 */HAL_SPI_Transmit(&hspi1,&data,1,100);/* 正确：收发同时（即使不要收的数据） */HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1,&data,&dummy,1,100);

坑4：DMA发送中途数据错乱

原因：DMA发送期间，源数据被其他代码修改了。

解决：DMA发送期间不要修改源缓冲区；或用双缓冲，DMA发A时CPU填B。

九、总结

一句话总结：SPI的核心是4线全双工 + CPOL/CPHA选模式，Flash驱动记住"写前必擦除、写前必使能、写后等空闲"三原则。

下一篇预告：《FreeRTOS入门第一课：从裸机到多任务的思维转变》

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作者：嵌入式阿蔡