4. SPI 总线驱动开发：从协议到 HAL 层实战

SPI 总线，说实话，是嵌入式开发里最常用的串行接口之一。速度快、全双工、硬件简单，但坑也不少。我这些年调过的 SPI 驱动，少说也有几十个，从低速传感器到高速显示屏，每个场景都有它的脾气。

这一章，咱们不扯虚的。直接从协议回顾开始，然后深入到 HAL 层的接口设计，最后把 DMA 和中断的配合讲透。你跟着我的思路走一遍，以后写 SPI 驱动心里就有底了。

4.1 SPI 协议核心回顾

SPI 全称 Serial Peripheral Interface，摩托罗拉发明的。四根线：SCLK、MOSI、MISO、CS。主从结构，一个主机可以挂多个从机。

为什么它快？因为它是同步的。时钟由主机产生，数据在时钟边沿采样。没有起始位、停止位，纯粹的数据流。

信号 方向 作用
SCLK 主机→从机 时钟信号，决定传输速率
MOSI 主机→从机 主机输出，从机输入
MISO 从机→主机 从机输出，主机输入
CS 主机→从机 片选，低电平有效

这里有个关键点：时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）。CPOL 决定空闲时时钟电平，CPHA 决定数据在哪个边沿采样。组合起来就是 4 种模式。

模式 0（CPOL=0, CPHA=0）：空闲低电平，上升沿采样。这是最常用的模式，我 80% 的项目都用它。

我曾经在一个项目里，因为从机手册写的是模式 1，结果实际是模式 0，调了整整两天。后来用逻辑分析仪一看，才发现是文档错了。所以，别全信手册，用示波器或逻辑分析仪确认波形，这是铁律。

4.2 HAL 层 SPI 接口设计

HAL 层的 SPI 接口，说白了就是给上层应用一个干净、统一的调用方式。不管底层是哪个 MCU，接口长一样。

我个人习惯把 SPI 接口分成三层：

  1. 底层硬件操作层：直接操作寄存器或调用 MCU HAL 库
  2. 中间抽象层：封装成 SPI 设备对象，管理片选、时钟、模式
  3. 应用接口层：提供读写函数，屏蔽传输细节

来看一个我常用的 SPI 设备结构体：

typedef struct {
    SPI_TypeDef   *instance;    // SPI 外设基地址
    GPIO_TypeDef  *cs_port;     // 片选 GPIO 端口
    uint16_t       cs_pin;      // 片选 GPIO 引脚
    uint32_t       baudrate;    // 波特率
    uint8_t        mode;        // SPI 模式 0-3
    uint8_t        data_width;  // 数据宽度 8/16
    void          *tx_buf;      // 发送缓冲区
    void          *rx_buf;      // 接收缓冲区
    uint16_t       len;         // 传输长度
    uint8_t        dma_enable;  // DMA 使能标志
} spi_device_t;

这个结构体把 SPI 设备的所有属性都包进去了。初始化时填好，后面所有操作都基于这个对象。你想想看，如果每个函数都要传一堆参数，代码得多难看。

核心接口我一般只暴露三个：

  • spi_init(spi_device_t *dev) — 初始化 SPI 外设和 GPIO
  • spi_transfer(spi_device_t *dev, uint8_t *tx, uint8_t *rx, uint16_t len) — 同步传输
  • spi_transfer_async(spi_device_t *dev, uint8_t *tx, uint8_t *rx, uint16_t len, callback_t cb) — 异步传输

小技巧：同步传输里，如果不需要接收，可以把 rx 设为 NULL，内部自动丢弃接收数据。反过来，如果只接收不发送，tx 设为 NULL，内部发 0xFF。这样接口更灵活。

4.3 DMA 传输与中断配合

SPI 的 DMA 传输，是提升系统吞吐量的关键。但很多人一上来就开 DMA，结果数据错乱、中断冲突，调得头皮发麻。

为什么会这样？因为 DMA 和中断的配合，时序上必须严丝合缝。

我画了一张流程图，把 SPI DMA 传输的完整流程理清楚了：

SPI DMA 传输完整流程 应用层发起传输 配置 DMA 通道 使能 SPI DMA 请求 DMA 搬运数据 DMA 传输完成中断 SPI 忙状态检查 回调通知应用层 传输结束 注意 DMA 完成中断后，必须等待 SPI 忙标志清除，才能开始下一次传输

这里有个关键步骤，很多人会忽略：DMA 传输完成中断里，不能立刻开始下一次传输。必须等 SPI 外设的忙标志（BSY）清除。为什么？因为 DMA 把最后一个字节搬到 SPI 数据寄存器后，SPI 还在串行移位输出，这时候如果改 CS 或重新配置，数据就丢了。

我曾经踩过的坑：在一个高速 ADC 采集项目里，SPI 时钟 20MHz，DMA 传输完直接拉高 CS，结果最后一个采样值总是错的。后来发现是 CS 拉高太快，SPI 还没移完最后一位。解决方案：在 DMA 中断里加一个 while 循环等待 BSY 清除，再操作 CS。

来看一段实际的 DMA 中断处理代码：

void spi_dma_tx_rx_callback(spi_device_t *dev)
{
    // 等待 SPI 忙状态清除
    while (dev->instance->SR & SPI_SR_BSY);

    // 拉高片选
    HAL_GPIO_WritePin(dev->cs_port, dev->cs_pin, GPIO_PIN_SET);

    // 关闭 DMA 和 SPI
    __HAL_DMA_DISABLE(dev->hdma_tx);
    __HAL_DMA_DISABLE(dev->hdma_rx);
    __HAL_SPI_DISABLE(dev->instance);

    // 调用应用层回调
    if (dev->callback) {
        dev->callback(dev);
    }
}

这段代码看着简单，但顺序很重要。先等 BSY，再拉 CS，最后关外设。顺序反了，数据就可能出问题。

4.4 中断与 DMA 的取舍

什么时候用中断，什么时候用 DMA？我个人的经验法则：

传输长度 推荐方式 理由
1-4 字节 轮询 DMA 配置开销大于传输本身
4-16 字节 中断 CPU 处理中断的开销可以接受
16 字节以上 DMA 释放 CPU，提升系统吞吐量

你想想看，如果每次只传 2 个字节，却要配置 DMA 通道、使能中断、等完成回调，这 CPU 时间都花在配置上了，还不如轮询快。

实际项目经验：在驱动 OLED 显示屏时，每次刷新要传 1024 字节，我果断用 DMA。但在配置寄存器时，每次只传 1-2 字节，用轮询就够了。同一个 SPI 总线，不同场景用不同方式，这才是灵活的设计。

4.5 调试技巧与避坑指南

SPI 调试，说难不难，说简单也不简单。我总结几个实用技巧：

  • 先确认 GPIO 配置：复用功能、推挽输出、上拉下拉，错一个都不行。我习惯先写一个 GPIO 翻转测试，确认引脚能正常输出。
  • 用逻辑分析仪看波形：这是最直接的手段。看 SCLK 频率对不对，CS 时序对不对，数据位对不对。
  • 先跑轮询模式：新板子第一次调 SPI，我从来不用 DMA。先轮询跑通，再切中断，最后上 DMA。一步到位容易出问题，排查起来也麻烦。
  • 注意 SPI 的 FIFO：有些 MCU 的 SPI 有 FIFO，深度 4 或 8 字节。FIFO 没处理好，数据会错位。我建议先关 FIFO 调通，再开 FIFO 优化性能。

核心原则：SPI 驱动开发，先求稳，再求快。轮询能跑通，再考虑中断和 DMA。每一步都验证，不要跳步。

嗯，这一章的内容就到这。SPI 总线驱动开发，协议是基础，HAL 层接口设计是骨架，DMA 与中断配合是灵魂。你把这三块吃透了，市面上 90% 的 SPI 设备都能轻松驱动。

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