SPI 通信原理与实践

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速、全双工的同步串行通信协议。GSRL 中 IMU（惯性测量单元）的加速度计和陀螺仪均通过 SPI 与 MCU 通信。

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1. 概念——高速同步通信

1.1 与 UART 的对比

UART 是异步的、全双工的、仅两根数据线。但它的速度受限于时钟精度，极限通常在几 Mbps。

SPI 则通过独立的时钟线同步收发双方，可以获得高得多的速率（几十 Mbps），代价是需要更多的连线。

为什么 SPI 需要 4 根线而 UART 只需 2 根？ UART 省线的代价是双方必须精确匹配波特率——任何一个设备的时钟偏差都会导致采样错误，因此 UART 速度上限通常在几 Mbps。SPI 用一根独立的时钟线（SCLK）消除了这种不确定性：主设备告诉从设备"现在采样"，从设备不需要猜测。这让 SPI 可以达到 10~50 倍于 UART 的速度。同时，CS 信号线使主设备能直接选择从设备，无需在数据流中嵌入地址字节，进一步提高了有效吞吐。

UART (异步)               SPI (同步)

MCU_A      MCU_B          MCU (Master)      Sensor (Slave)
 TX ─────→ RX              SCLK ────────────→ SCLK
 RX ←───── TX              MOSI ────────────→ MOSI
                           MISO ←──────────── MISO
                           CS   ────────────→ CS   (低有效)

1.2 主从架构

SPI 是严格的主从（Master-Slave）架构：

• Master（主设备）：产生时钟信号（SCLK），控制通信的发起与结束
• Slave（从设备）：响应主设备的时钟，接收或发送数据
• 一个 Master 可以连接多个 Slave，通过 CS（片选）信号选择与哪个 Slave 通信

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2. 物理层——四根信号线

信号	方向	全称	说明
SCLK	Master → Slave	Serial Clock	时钟信号，由 Master 产生
MOSI	Master → Slave	Master Out, Slave In	主设备发送的数据
MISO	Slave → Master	Master In, Slave Out	从设备发送的数据
CS (或 SS)	Master → Slave	Chip Select / Slave Select	低电平有效，选中从设备

典型连接拓扑（一主多从）:

         ┌──────────┐
         │  Master  │
         │  (MCU)   │
         └──┬──┬──┬─┘
            │  │  │
   SCLK ────┼──┼──┼──── 所有 Slave 共享
   MOSI ────┼──┼──┼──── 所有 Slave 共享
   MISO ────┼──┼──┼──── 所有 Slave 共享
            │  │  │
   CS1  ────┤  │  │    每个 Slave 独立 CS
   CS2  ───┼──┤  │
   CS3  ───┼──┼──┤

         ┌──┴──┐┌──┴──┐┌──┴──┐
         │Slave││Slave││Slave│
         │  1  ││  2  ││  3  │
         └─────┘└─────┘└─────┘

CS 是关键：只有 CS 拉低的 Slave 才会响应总线上的 SCLK/MOSI，其余 Slave 的 MISO 引脚处于高阻态（不影响总线）。

为什么用 CS 引脚而不是像 I2C 那样在数据中发送地址？ 这是硬件简单性与引脚数量的权衡。CS 方式的好处是：不需要在数据流中编码和解码地址，通信帧更短（没有地址字节开销），从设备也不需要地址匹配电路。缺点也很明显——每个从设备需要一根独立的 GPIO，连接 5 个从设备就需要 5 根 CS 线。但在典型嵌入式系统中，SPI 从设备数量通常很少（2~4 个），这个代价完全可接受。

为什么 MISO 和 MOSI 要分开？ 两条独立的数据线实现了真正的全双工通信——主设备和从设备可以在同一个时钟周期内同时发送和接收数据。虽然 UART 也支持全双工（TX 和 RX 各一根），但 SPI 的全双工不需要收发双方匹配波特率，因为时钟由主设备统一提供。在读取 IMU 传感器时，这一特性意味着"发送读命令"和"接收数据"可以在同一次传输中完成——效率极高。

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3. SPI 的四种工作模式（CPOL & CPHA）

SPI 通过两个参数定义时钟极性和数据采样时机：

参数	全称	含义
CPOL	Clock Polarity	时钟空闲时的电平：0=低，1=高
CPHA	Clock Phase	数据采样边沿：0=第一个边沿，1=第二个边沿

Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0) —— 最常用
SCLK:     ──┐   ┌───┐   ┌───
            │   │   │   │
            └───┘   └───┘
MOSI/MISO: ──[D7][D6][D5]...  ← 在上升沿改变数据，下降沿采样
              ↑
          空闲为低

Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1)
SCLK:     ┌───┐   ┌───┐   ┌──
          │   │   │   │   │
          ┘   └───┘   └───┘
MOSI/MISO: ──[D7][D6][D5]...  ← 在上升沿采样（第二个边沿）

Mode	CPOL	CPHA	空闲电平	采样边沿
0	0	0	低	上升沿（第1个边沿）
1	0	1	低	下降沿（第2个边沿）
2	1	0	高	下降沿（第1个边沿）
3	1	1	高	上升沿（第2个边沿）

关键：Master 和 Slave 的 CPOL/CPHA 必须匹配，否则数据会在错误的时刻被采样。

为什么需要四种模式（CPOL/CPHA）？ 不同芯片厂商设计 SPI 接口时有不同的时钟偏好——有些芯片的内部逻辑在时钟上升沿锁存数据，有些在下降沿锁存。CPOL/CPHA 的四种组合为 SPI 提供了兼容任意芯片的灵活性。如果没有这四种模式，遇到时钟极性不匹配的芯片就需要外加反相器电路来翻转时钟。这四种模式不是"可选配置"，而是 SPI 协议的核心设计——一次配置正确，即可连接任何 SPI 从设备。

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4. SPI 通信流程

一次完整的 SPI 传输：

① Master 拉低 CS
② Master 在 SCLK 上产生时钟
③ Master 和 Slave 同时通过移位寄存器交换数据（全双工）
   - Master 的 MOSI 数据逐位移入 Slave
   - Slave 的 MISO 数据逐位移入 Master
④ 传输完成，Master 拉高 CS

Master 移位寄存器                 Slave 移位寄存器
┌──────────────────┐            ┌──────────────────┐
│ D7 D6 D5 ... D0  │──MOSI──→  │ D7 D6 D5 ... D0  │
│                  │←─MISO──   │                  │
└──────────────────┘            └──────────────────┘
      ↑ SCLK (由 Master 产生)
      每来一个时钟脉冲，Master 和 Slave 的寄存器
      都右移一位，同时最高位被发送出去

重要特性：SPI 的发送和接收是同步进行的。即使你只想读数据，也必须发送同样数量的字节（通常是 0x00 或 0xFF 作为"空字节"），才能把 MISO 上的数据"时钟出来"。

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5. HAL 库的 SPI 操作

5.1 CubeMX 配置

在 CubeMX 中配置 SPI 需要关注：

参数	含义	GSRL 典型值
Mode	主/从模式	Full-Duplex Master
NSS	硬件/软件片选	Software（用 GPIO 模拟）
Data Size	数据帧大小	8 Bits
CPOL / CPHA	时钟模式	根据从设备数据手册
Baud Rate Prescaler	时钟分频	影响 SCLK 频率
First Bit	先发 MSB 还是 LSB	MSB First

5.2 传输模式

HAL 提供四种 SPI 传输 API：

// 阻塞模式：发送 + 接收（分别调用）
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, txData, len, timeout);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, rxData, len, timeout);

// 阻塞模式：全双工（同时收发，效率高）
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txData, rxData, len, timeout);

// 中断模式：全双工
HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, txData, rxData, len);

// DMA 模式：全双工（GSRL 推荐，零 CPU 开销）
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, txData, rxData, len);

5.3 GSRL Driver 封装

drv_spi.c 对 HAL SPI API 做了统一封装，并实现了 HAL 回调：

// 初始化 SPI 驱动
void SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi, SPI_Call_Back rxCallbackFunction);

// DMA 全双工传输
HAL_StatusTypeDef SPI_TransmitReceive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi,
                                          uint8_t *pTxData, uint16_t exchangeDataLength);

// HAL 传输完成回调 → 调用用户注册的回调
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    SPI_Manage_Object_t *spi_obj = SPI_Get_Object(hspi);
    if (spi_obj->rxCallbackFunction != NULL) {
        spi_obj->rxCallbackFunction(spi_obj->rxBuffer, spi_obj->exchangeDataLength);
    }
}

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6. GSRL 中的 SPI 应用：BMI088 IMU

6.1 BMI088 的 SPI 接口

BMI088 是一款 6 轴 IMU（3 轴加速度计 + 3 轴陀螺仪），其加速度计和陀螺仪是独立的两颗芯片，各自有独立的 SPI 接口和 CS 引脚：

 STM32                      BMI088
┌────────┐              ┌──────────────┐
│        │──SCLK──┬─────│SCLK_ACC      │
│  SPI1  │──MOSI──┤     │              │
│        │──MISO──┼─────│MISO (共用)   │
│        │        │     │              │
│  GPIO  │──CS1───┤     │CS_ACC        │  ← 加速度计 CS
│  GPIO  │──CS2───┘     │CS_GYRO       │  ← 陀螺仪 CS
└────────┘              └──────────────┘

6.2 逐寄存器读写

BMI088 使用典型的 SPI 寄存器读写协议：

读寄存器格式（发送 2 字节，接收 1 字节有用数据）:
  Byte0: [0│R/W=1│A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0]   ← 寄存器地址，bit7=1 表示读
  Byte1: 任意值（用于把数据时钟出来）
  收到:  Byte1 = 寄存器的值

写寄存器格式（发送 2 字节）:
  Byte0: [0│R/W=0│A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0]   ← 寄存器地址，bit7=0 表示写
  Byte1: 要写入的值

6.3 GSRL 中的 IMU 对象

BMI088 类（dvc_imu.hpp）封装了 SPI 通信细节：

struct SPIConfig {
    SPI_HandleTypeDef *hspi;      // SPI 句柄（如 &hspi1）
    GPIO_TypeDef *csGPIOGroup;    // CS 引脚 GPIO 端口
    uint16_t csGPIOPin;           // CS 引脚编号
};

class BMI088 : public IMU
{
    SPIConfig m_accelSPIConfig;   // 加速度计 SPI 配置
    SPIConfig m_gyroSPIConfig;    // 陀螺仪 SPI 配置

    // 内部实现
    void readSingleReg(const SPIConfig &cfg, uint8_t reg, uint8_t &rxData);
    void readMultiReg(const SPIConfig &cfg, uint8_t reg, uint8_t *pRxData, uint8_t len);
};

读取寄存器的实际过程：

void BMI088::readSingleReg(const SPIConfig &cfg, uint8_t reg, uint8_t &rxData)
{
    uint8_t txData[2] = {static_cast<uint8_t>(reg | 0x80), 0xFF};  // 读命令
    uint8_t rxDataBuf[2];

    HAL_GPIO_WritePin(cfg.csGPIOGroup, cfg.csGPIOPin, GPIO_PIN_RESET);  // 拉低 CS
    HAL_SPI_TransmitReceive(cfg.hspi, txData, rxDataBuf, 2, 100);       // 全双工传输
    HAL_GPIO_WritePin(cfg.csGPIOGroup, cfg.csGPIOPin, GPIO_PIN_SET);    // 拉高 CS

    rxData = rxDataBuf[1];  // 第 2 个字节是有效的寄存器值
}

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7. SPI 对比 UART

特性	SPI	UART
时钟	独立时钟线（同步）	无时钟（异步）
连线数	4 根（SCLK/MOSI/MISO/CS）	2 根（TX/RX）
拓扑	一主多从	一对一
最大速率	几十 Mbps	几 Mbps
全双工	是	是
从设备选择	CS 信号	地址协议（如 RS-485 地址位）
应用	IMU、Flash、SD 卡	调试、遥控器、GPS

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8. 总结

要点	说明
同步通信	独立的 SCLK 时钟线，收发同步
四根信号线	SCLK + MOSI + MISO + CS
全双工	发送和接收同时进行
CPOL/CPHA	定义时钟极性和采样边沿，共 4 种模式
CS 信号	低电平选中从设备，一主多从的关键
GSRL 应用	SPI1/SPI2 连接 BMI088 加速度计+陀螺仪

与 GSRL 的关系

GSRL 的 BMI088 IMU 通过 SPI 通信，drv_spi.c 封装了 HAL SPI API，dvc_imu.hpp 中的 BMI088 类在 SPI 驱动之上实现了寄存器的读写、校准和姿态解算。

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作者: Qing | 修改日期: 2026-07-18