# STM32 教學系列 第 9 節：SPI 通訊 + DMA ## 🎯 學習目標 1. **理解 SPI 高速序列通訊** - 掌握主從模式與時序配置 2. **實現 SPI 感測器通訊** - 與加速度計、存儲卡等設備通訊 3. **配置 SPI + DMA** - 實現高速資料轉移 --- ## 🎓 SPI 基礎概念 ### SPI 是什麼？ SPI (Serial Peripheral Interface) 是高速同步序列通訊協定。特點： - **速度快**：最高 54 MHz（STM32F446） - **同步通訊**：使用時鐘信號同步 - **全雙工**：可同時收發 - **主從結構**：一主多從 ### SPI 的 4 條信號線 | 訊號 | 名稱 | 方向 | 功能 | |------|------|------|------| | **MOSI** | Master Out Slave In | 主 → 從 | 主發送、從接收 | | **MISO** | Master In Slave Out | 從 → 主 | 從發送、主接收 | | **SCK** | Serial Clock | 主 → 從 | 時脈（由主產生） | | **CS/NSS** | Chip Select | 主 → 從 | 晶片選擇（低有效） | ### SPI 時序圖 ``` CS ╲_____________________________╱ SCK ╲__╱‾╲_╱‾╲_╱‾╲_╱‾╲_╱‾╲_╱‾╲_ B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 MOSI ─X─┬─X─┬─X─┬─X─┬─X─┬─X─┬─X─┬─X─ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─ MISO ─X─┬─X─┬─X─┬─X─┬─X─┬─X─┬─X─┬─X─ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─ ``` ### STM32F446 SPI 資源 | 特性 | 規格 | |------|------| | **SPI 模組** | 3 個（SPI1、SPI2、SPI3） | | **最高速度** | 54 MHz（SPI1）、27 MHz（SPI2/3） | | **DMA 支援** | 是（分別用於收發） | | **模式** | SPI、I²S、Simplex（單向） | --- ## 🛠️ 硬體接線 ### 所需元件 | 元件 | 數量 | 說明 | |------|------|------| | SPI 從設備（MPU6050、SD卡等） | 1 | 任選 | | 跳線 | 4 | MOSI、MISO、SCK、CS | ### 接線圖 | Nucleo 接腳 | SPI1 | 功能 | 從設備連接 | |------------|------|------|----------| | PA5 | SCK | 時鐘 | SCL 或 SCK | | PA6 | MISO | 接收 | MISO 或 DO | | PA7 | MOSI | 發送 | MOSI 或 DIN | | PA4 | CS | 選擇 | CS 或 CE | ### 麵包板接線參考 ``` Nucleo F446RC 從設備（如 MPU6050） ───────────── ─────────────── PA5 (SCK) ──────────── SCL PA6 (MISO) ──────────── SDA/MISO PA7 (MOSI) ──────────── MOSI PA4 (CS) ──────────── CS 3.3V ──────────────── VCC GND ──────────────── GND ``` --- ## ⚙️ CubeMX 配置步驟 ### 步驟 1：啟用 SPI1 1. 開啟 CubeMX 2. 在 Pinout 圖中選擇以下接腳： - **PA5**：配置為 **SPI1_SCK** - **PA6**：配置為 **SPI1_MISO** - **PA7**：配置為 **SPI1_MOSI** - **PA4**：配置為 **GPIO_Output**（用於 CS 控制） ### 步驟 2：配置 SPI 參數 1. 在左側選擇 **Connectivity** → **SPI1** 2. **Mode**：Full-Duplex Master 3. **Configuration** 中設定： - **Frame Format**：Motorola（通常使用） - **Data Size**：8 Bits - **Prescaler**：8（設定 SPI 速度 = 168MHz / 8 = 21 MHz） - **CPOL (Clock Polarity)**：Low - **CPHA (Clock Phase)**：1 Edge（根據從設備選擇） - **NSS (Chip Select Mode)**：Software（手動控制 CS） ### 步驟 3：配置 DMA（用於高速傳輸） 1. 在 **DMA Settings** 中： - **Add** → 配置 Tx DMA：DMA2 Stream3 Channel3 - **Add** → 配置 Rx DMA：DMA2 Stream2 Channel3 2. 分別設定： - **Mode**：Normal - **Increment Address**：Enable (Memory) - **Data Width**：Byte ### 步驟 4：啟用中斷 **NVIC Settings** 中勾選： - **SPI1 global interrupt** - **DMA2 Stream2 global interrupt**（Rx） - **DMA2 Stream3 global interrupt**（Tx） ### 步驟 5：生成程式碼 點擊 **Generate Code** --- ## 💻 完整程式碼 ### main.c - SPI DMA 通訊 ```c /* STM32 Lesson 09 - SPI with DMA * 功能：使用 SPI + DMA 進行高速通訊 * 難度：高級 */ #include "main.h" #include "spi.h" #include "dma.h" #include "usart.h" #include "gpio.h" #include #include /* 定義 */ #define SPI_TX_BUFFER_SIZE 256 #define SPI_RX_BUFFER_SIZE 256 #define CS_PORT GPIOA #define CS_PIN GPIO_PIN_4 /* 函數宣告 */ void SystemClock_Config(void); static void MX_GPIO_Init(void); static void MX_SPI1_Init(void); static void MX_DMA_Init(void); static void MX_USART1_UART_Init(void); void UART_Print(const char *format, ...); void SPI_CS_Enable(void); void SPI_CS_Disable(void); void SPI_Transmit_DMA(uint8_t *tx_data, uint16_t size); void SPI_Receive_DMA(uint8_t *rx_data, uint16_t size); /* 全域變數 */ SPI_HandleTypeDef hspi1; DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx; DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx; UART_HandleTypeDef huart1; uint8_t spi_tx_buffer[SPI_TX_BUFFER_SIZE]; uint8_t spi_rx_buffer[SPI_RX_BUFFER_SIZE]; volatile uint8_t spi_tx_complete = 0; volatile uint8_t spi_rx_complete = 0; int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_DMA_Init(); MX_SPI1_Init(); MX_USART1_UART_Init(); UART_Print("\r\n=== SPI DMA Test ===\r\n"); /* 準備發送資料 */ for (uint16_t i = 0; i < 8; i++) { spi_tx_buffer[i] = 0xA0 + i; /* 填充測試資料 */ } while (1) { UART_Print("Sending via SPI DMA...\r\n"); /* 使用 DMA 發送 */ SPI_Transmit_DMA(spi_tx_buffer, 8); /* 等待完成 */ while (!spi_tx_complete); spi_tx_complete = 0; UART_Print("Sent: "); for (uint16_t i = 0; i < 8; i++) { UART_Print("0x%02X ", spi_tx_buffer[i]); } UART_Print("\r\n"); HAL_Delay(1000); } } /** * @brief SPI 片選使能（拉低） */ void SPI_CS_Enable(void) { HAL_GPIO_WritePin(CS_PORT, CS_PIN, GPIO_PIN_RESET); HAL_Delay(1); /* 等待片選穩定 */ } /** * @brief SPI 片選禁用（拉高） */ void SPI_CS_Disable(void) { HAL_Delay(1); /* 等待最後一位傳完 */ HAL_GPIO_WritePin(CS_PORT, CS_PIN, GPIO_PIN_SET); } /** * @brief 使用 DMA 發送資料 */ void SPI_Transmit_DMA(uint8_t *tx_data, uint16_t size) { SPI_CS_Enable(); HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, tx_data, size); } /** * @brief 使用 DMA 接收資料 */ void SPI_Receive_DMA(uint8_t *rx_data, uint16_t size) { SPI_CS_Enable(); HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, rx_data, size); } /** * @brief SPI 發送完成中斷回調 */ void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) { if (hspi->Instance == SPI1) { spi_tx_complete = 1; SPI_CS_Disable(); } } /** * @brief SPI 接收完成中斷回調 */ void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) { if (hspi->Instance == SPI1) { spi_rx_complete = 1; SPI_CS_Disable(); } } /** * @brief UART 列印函數 */ void UART_Print(const char *format, ...) { char buffer[100]; va_list args; va_start(args, format); vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), format, args); va_end(args); HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY); } /** * @brief 系統時脈配置 */ void SystemClock_Config(void) { RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0}; RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0}; __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE(); __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1); RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = 2; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7; if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) { Error_Handler(); } RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2; RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4; RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } /** * @brief GPIO 初始化 */ static void MX_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 配置 PA4 為 CS 輸出 */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); /* 初始化 CS 為高電位（未選擇） */ HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET); } /** * @brief SPI1 初始化 */ static void MX_SPI1_Init(void) { hspi1.Instance = SPI1; hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8; hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } /** * @brief DMA 初始化 */ static void MX_DMA_Init(void) { __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE(); HAL_NVIC_SetPriority(DMA2_Stream2_IRQn, 1, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA2_Stream2_IRQn); HAL_NVIC_SetPriority(DMA2_Stream3_IRQn, 1, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA2_Stream3_IRQn); } /** * @brief USART1 初始化 */ static void MX_USART1_UART_Init(void) { huart1.Instance = USART1; huart1.Init.BaudRate = 115200; huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } /** * @brief SPI1 MSP 初始化 */ void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef* hspi) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; if(hspi->Instance == SPI1) { __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF5_SPI1; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); hdma_spi1_rx.Instance = DMA2_Stream2; hdma_spi1_rx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_3; hdma_spi1_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY; hdma_spi1_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; hdma_spi1_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; hdma_spi1_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; hdma_spi1_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE; hdma_spi1_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL; hdma_spi1_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH; HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_rx); __HAL_LINKDMA(hspi, hdmarx, hdma_spi1_rx); hdma_spi1_tx.Instance = DMA2_Stream3; hdma_spi1_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_3; hdma_spi1_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH; hdma_spi1_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; hdma_spi1_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; hdma_spi1_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; hdma_spi1_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE; hdma_spi1_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL; hdma_spi1_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH; HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_tx); __HAL_LINKDMA(hspi, hdmatx, hdma_spi1_tx); HAL_NVIC_SetPriority(SPI1_IRQn, 1, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(SPI1_IRQn); } } /** * @brief SPI1 中斷處理 */ void SPI1_IRQHandler(void) { HAL_SPI_IRQHandler(&hspi1); } /** * @brief DMA2 Stream2 中斷處理 */ void DMA2_Stream2_IRQHandler(void) { HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_spi1_rx); } /** * @brief DMA2 Stream3 中斷處理 */ void DMA2_Stream3_IRQHandler(void) { HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_spi1_tx); } void Error_Handler(void) { while(1); } ``` --- ## 🔍 測試與除錯 ### 預期結果 ✅ **通訊驗證**： - UART 輸出 "Sending via SPI DMA..." - 每秒列印一次發送的資料（0xA0 ~ 0xA7） - LED 應正常工作（如有連接） ### 常見問題 | 問題 | 原因 | 解決方案 | |------|------|--------| | **無 UART 輸出** | UART 未初始化 | 檢查 MX_USART1_UART_Init() | | **SPI 無反應** | DMA 配置錯誤 | 驗證 DMA Stream 和 Channel 設定 | | **傳輸速度慢** | Prescaler 過大 | 減小 Prescaler 值提高速度 | | **資料錯誤** | CPOL/CPHA 不匹配 | 根據從設備調整時序 | --- ## 📚 進階應用 ### SPI 與 SD 卡通訊 ```c /* SD 卡初始化 */ #define SD_CS_PORT GPIOA #define SD_CS_PIN GPIO_PIN_4 void SD_Init(void) { SPI_CS_Enable(); /* 發送初始化命令 CMD0 */ uint8_t cmd[6] = {0x40, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x95}; HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 6, 100); SPI_CS_Disable(); } ``` --- ## 🔗 延伸學習 ### 下節預覽 - 第 10 節：CANbus 通訊（兩板間通訊） 第 10 節將實現： - **CAN 協定與識別符** - **TJA1050 收發器接線** - **Nucleo ↔ Nucleo 雙板通訊** --- **✨ SPI 高速通訊完成！🚀**