📚 课程目录第3章 STM32基础外设驱动实战（SPI与I2C）

3. STM32基础外设驱动实战（SPI与I2C）

SPI和I2C，这两个总线在嵌入式AI项目里太常用了。传感器采集、显示驱动、存储扩展，几乎都离不开它们。但说实话，很多人写驱动就是对着寄存器一顿操作，能跑就行。真到了项目里，时序对不上、DMA卡死、多从机冲突……问题一个接一个。

这一章，咱们就聊聊怎么把这些外设用扎实。我会结合自己踩过的坑，把SPI四线模式、DMA传输、I2C多从机通信这些硬骨头啃下来。

3.1 SPI四线模式与DMA传输

SPI全双工、速度快，结构也简单。但很多人一开始就被它的四种模式搞晕了。其实没那么复杂。

3.1.1 四线模式详解

SPI四线分别是：SCK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。关键就在时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的组合上。

模式	CPOL	CPHA	数据采样边沿	空闲时钟电平
模式0	0	0	第一个跳变沿（上升沿）	低电平
模式1	0	1	第二个跳变沿（下降沿）	低电平
模式2	1	0	第一个跳变沿（下降沿）	高电平
模式3	1	1	第二个跳变沿（上升沿）	高电平

怎么选？ 看从机的手册。大多数传感器和Flash芯片默认用模式0或模式3。我个人习惯先看手册里时序图，找到数据是在哪个边沿被锁存的，再定CPHA。CPOL反而简单——空闲时时钟是高还是低，一目了然。

小技巧： 调试时如果读回来的数据全是0xFF或0x00，多半是模式配错了。用逻辑分析仪抓一下SCK和MOSI，看看数据跳变沿对不对得上。

3.1.2 DMA传输实战

SPI用轮询方式收发数据，CPU会被死死拖住。尤其是AI推理时，传感器数据量一大，CPU全花在等SPI上了。这时候DMA就派上用场了。

DMA传输的核心思路：CPU配置好传输参数，然后撒手不管。数据从外设到内存，或者从内存到外设，全由DMA控制器搞定。传输完了再给你一个中断。

下面是一个SPI+DMA接收数据的典型配置流程：

// 1. 使能DMA时钟
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

// 2. 配置DMA句柄
hdma_spi1_rx.Instance = DMA1_Channel2;
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;
HAL_DMA_Init(&hdma_spi1_rx);

// 3. 将DMA句柄关联到SPI句柄
__HAL_LINKDMA(&hspi1, hdmarx, hdma_spi1_rx);

// 4. 启动DMA接收（同时发送0x00以产生时钟）
uint8_t rx_buffer[256];
HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, rx_buffer, 256);

这里有个坑：SPI的DMA接收必须同时发送数据来产生时钟。如果你只收不发，时钟不会自己跑起来。所以HAL库内部其实会发一个虚拟数据（通常是0x00或0xFF）。

我曾经踩过的坑： 有一次用SPI+DMA读ADXL345加速度计，数据总是错位。查了半天，发现是DMA传输完成中断里又调了HAL_SPI_Receive_DMA，导致DMA配置被覆盖。正确的做法是在中断里设一个标志位，主循环里再启动下一次传输。

3.2 I2C多从机通信

I2C只用两根线（SCL、SDA），就能挂多个设备。但多从机通信时，地址冲突、总线锁死、时序不匹配……问题比SPI多得多。

3.2.1 多从机地址管理

每个I2C从机都有一个7位或10位地址。7位地址最常见，范围0x00~0x7F。但有些地址是保留的，比如0x00是广播地址，0x01~0x07用于特殊用途。

实际项目中要注意：

同型号传感器地址可能相同，需要通过ADDR引脚改地址
7位地址左移1位才是HAL库用的8位地址（因为最后一位是读写位）
地址冲突时，两个从机都会应答，数据就乱了

    经验之谈： 我建议在系统初始化时，逐个扫描I2C总线上的设备地址。用HAL_I2C_IsDeviceReady()函数，能快速确认哪些地址有应答。这样既能发现地址冲突，也能检测设备是否正常上电。

3.2.2 多从机通信流程

I2C多从机通信的核心是：每次只和一个从机对话。主机通过发送起始条件+从机地址来选定通信对象，其他从机看到地址不匹配，就保持沉默。

典型的多从机读写流程：

主机发送起始条件（S）
主机发送7位从机地址+写位（0）
对应从机应答（ACK）
主机发送寄存器地址
从机应答
主机发送重启条件（Sr）
主机发送7位从机地址+读位（1）
从机应答并发送数据
主机发送非应答（NACK）+停止条件（P）

HAL库封装了这些细节，用HAL_I2C_Mem_Read()和HAL_I2C_Mem_Write()就能搞定。但要注意：连续读写多个从机时，每次都要重新发起起始条件，不能把两个从机的数据放在一个事务里。

3.2.3 总线锁死与恢复

I2C总线锁死，说白了就是SDA被某个设备一直拉低。原因通常是：从机还没处理完数据，主机就发了停止条件；或者主机在传输过程中被复位了，从机还在等待时钟。

恢复方法：

硬件复位：把SCL和SDA的GPIO拉高，再重新初始化
软件恢复：在SCL上发9个时钟脉冲，让从机释放SDA
重新初始化I2C外设

我曾经遇到的情况： 有一次系统频繁掉电重启，I2C总线经常锁死。后来发现是掉电瞬间，从机还在处理数据，主机已经复位了。解决方案是在I2C初始化前，先做一次软件恢复——把SCL和SDA配置成GPIO输出，手动拉高拉低几次，再切回I2C功能。从此再没锁死过。

3.3 外设时序分析仪使用

写驱动最怕什么？时序不对。代码看着没问题，设备就是不工作。这时候，时序分析仪（逻辑分析仪）就是你的眼睛。

3.3.1 抓取时序的基本步骤

连接探头：SCL/SDA或SCK/MOSI/MISO/CS接到分析仪通道
设置采样率：至少是信号频率的4倍，建议8~10倍
设置触发条件：比如SPI的CS下降沿，或I2C的起始条件
运行程序，抓取波形
解码分析：分析仪会自动解析SPI/I2C协议，显示数据内容

3.3.2 常见时序问题

问题现象	可能原因	波形特征
数据全是0xFF	SPI模式不匹配，或MISO没接好	MISO一直高电平
I2C无应答	地址错误，或从机未上电	SDA在应答位保持高
数据错位	时钟相位不对，或DMA传输长度错误	数据边沿和时钟边沿错开
总线锁死	SDA被从机拉低	SDA持续低电平

我的习惯： 写驱动前，先用分析仪抓一下设备上电后的默认输出。很多传感器上电后会发一串数据，通过这个能确认设备是否正常工作，也能验证你的接线对不对。

3.4 常见总线故障排查

故障排查，说白了就是三板斧：看波形、查配置、测电平。

3.4.1 SPI故障排查清单

检查电平转换： 3.3V的MCU接5V的SPI设备，需要电平转换芯片
检查CS控制： 多个SPI设备共用总线时，CS必须独立控制，不能同时选中多个
检查时钟极性： 用分析仪看SCK空闲时是高还是低，和手册对比
检查数据顺序： MSB first还是LSB first？很多设备默认MSB first

3.4.2 I2C故障排查清单

检查上拉电阻： SCL和SDA必须有上拉电阻，典型值4.7kΩ
检查总线电容： 总线太长或设备太多，会导致信号边沿变缓
检查地址冲突： 用扫描程序确认每个地址只有1个设备应答
检查时钟延展： 有些从机在忙时会拉低SCL，主机要支持时钟延展

    一句话总结： 总线故障，90%是硬件问题（接线、电平、上拉），9%是配置问题（模式、地址、速率），只有1%是芯片坏了。先查硬件，再查软件，别一上来就怀疑芯片。

3.5 本章知识体系

下面这张图，把本章的核心知识点串起来了。你可以把它当作一个快速索引，遇到问题时对照着查。

这张图把SPI、I2C和故障排查三大块串在一起。左边是SPI的四线模式和DMA，右边是I2C的多从机通信，下面是工具和排查方法。写驱动时遇到问题，先定位是哪个模块，再对照清单一步步查。