4. 惯性传感器原理

好，咱们正式开始写代码了。这一章我带你从零搭建一个 SPI 轮询驱动。说白了，就是直接操作寄存器，让 SPI 外设按照我们的意愿工作。

你可能会问：现在有那么多 HAL 库、LL 库，为什么还要自己操作寄存器？我在项目里吃过这个亏——某次用 HAL 库调一个高速传感器，发现库函数里插了好多冗余检查，导致每次传输都多花几十微秒。后来我直接操作寄存器，性能一下就上来了。所以，理解底层寄存器，是嵌入式工程师的硬功夫。

4.1 寄存器操作基础

在 STM32 上，SPI 外设的寄存器都映射到一段连续的内存地址。我们通过指针来读写它们。我个人习惯用结构体来封装，这样代码更清晰。

先看一个典型的 SPI 寄存器基地址定义（以 STM32F4 为例）：

// SPI 寄存器基地址
#define SPI1_BASE             0x40013000
#define SPI2_BASE             0x40003800
#define SPI3_BASE             0x40003C00

// 寄存器偏移量
#define SPI_CR1_OFFSET        0x00
#define SPI_CR2_OFFSET        0x04
#define SPI_SR_OFFSET         0x08
#define SPI_DR_OFFSET         0x0C

// 直接操作宏
#define SPI1->CR1             (*(volatile uint32_t *)(SPI1_BASE + SPI_CR1_OFFSET))
#define SPI1->CR2             (*(volatile uint32_t *)(SPI1_BASE + SPI_CR2_OFFSET))
#define SPI1->SR              (*(volatile uint32_t *)(SPI1_BASE + SPI_SR_OFFSET))
#define SPI1->DR              (*(volatile uint32_t *)(SPI1_BASE + SPI_DR_OFFSET))

嗯，这里要注意：volatile 关键字绝对不能少。编译器很聪明，它会优化掉看似「多余」的读取。但寄存器值随时可能被硬件改变，不加 volatile，你读到的可能是缓存里的旧值。我曾经因为这个 bug 调了整整两天。

4.2 SPI_CR1 / CR2 / SR / DR 寄存器详解

这四个寄存器，是 SPI 驱动的核心。我画了一张图，帮你理清它们的关系：

4.2.1 CR1 寄存器——SPI 的「大脑」

CR1 决定了 SPI 的工作模式。它的每一位都很关键：

4.2.2 CR2 寄存器——中断和 DMA 的开关

CR2 主要控制中断和 DMA 的使能。在轮询模式下，我们基本用不到它，但了解总没坏处：

• 位 7 (TXEIE)： 发送缓冲区空中断使能。当 TXE 标志置位时触发中断。
• 位 6 (RXNEIE)： 接收缓冲区非空中断使能。当 RXNE 标志置位时触发中断。
• 位 5 (ERRIE)： 错误中断使能。溢出、CRC 错误、模式错误都会触发。
• 位 1:0 (RXDMAEN / TXDMAEN)： DMA 请求使能。高速传输时用。

轮询模式下，这些位全部保持 0 即可。

4.2.3 SR 寄存器——SPI 的「晴雨表」

SR 寄存器告诉我们 SPI 当前的状态。轮询模式的核心，就是不断检查这些标志位：

4.2.4 DR 寄存器——数据通道

DR 是 SPI 的数据寄存器。发送和接收共用这一个寄存器。你写数据到 DR，就是发送；你从 DR 读数据，就是接收。

这里有个关键点：SPI 的收发是同步的。你发送一个字节的同时，一定会收到一个字节。所以轮询模式下，发送和接收是成对出现的。

4.3 轮询发送与接收实现

好，理论知识够了。咱们直接写代码。下面是一个完整的轮询模式 SPI 收发函数：

/**
 * @brief  SPI 轮询模式发送一个字节，并接收一个字节
 * @param   data: 要发送的数据
 * @return  接收到的数据
 */
uint8_t SPI_Polling_Transfer(uint8_t data)
{
    uint32_t timeout = 0xFFFFF;  // 超时计数
    
    // 步骤1：等待 TXE 置位（发送缓冲区空）
    while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE))
    {
        if (--timeout == 0)
        {
            // 超时处理
            return 0xFF;  // 返回错误值
        }
    }
    
    // 步骤2：写入数据到 DR
    SPI1->DR = data;
    
    // 步骤3：等待 RXNE 置位（接收缓冲区非空）
    timeout = 0xFFFFF;  // 重置超时
    while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE))
    {
        if (--timeout == 0)
        {
            return 0xFF;
        }
    }
    
    // 步骤4：读取接收数据
    return (uint8_t)(SPI1->DR);
}

这个函数看起来简单，但有几个细节要注意：

• 先等 TXE，再写数据： 确保发送缓冲区是空的，否则写入会覆盖未发送的数据。
• 写 DR 后立即等 RXNE： 因为 SPI 是同步的，发送完成时接收也完成了。
• 读 DR 前必须等 RXNE： 如果提前读，可能读到的是旧数据。

void SPI_Polling_Transfer_Buffer(uint8_t *tx_buf, uint8_t *rx_buf, uint16_t len)
{
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++)
    {
        rx_buf[i] = SPI_Polling_Transfer(tx_buf[i]);
    }
}

4.4 超时处理机制

轮询模式最大的风险是什么？死等。如果从设备没响应，或者硬件出了问题，你的程序就会卡在 while 循环里出不来。这就是为什么每个等待循环都要加超时。

我常用的超时方案有两种：

在裸机开发中，我倾向于先用软件计数，简单够用。等系统复杂了再换硬件定时器。

下面是一个带硬件定时器超时的版本：

uint8_t SPI_Polling_Transfer_Timeout(uint8_t data, uint32_t timeout_ms)
{
    uint32_t tick_start = GetSysTick();  // 获取当前系统滴答
    
    // 等待 TXE
    while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE))
    {
        if ((GetSysTick() - tick_start) > timeout_ms)
        {
            return 0xFF;  // 超时返回
        }
    }
    
    SPI1->DR = data;
    tick_start = GetSysTick();  // 重置计时
    
    // 等待 RXNE
    while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE))
    {
        if ((GetSysTick() - tick_start) > timeout_ms)
        {
            return 0xFF;
        }
    }
    
    return (uint8_t)(SPI1->DR);
}

4.5 完整的 SPI 初始化与轮询驱动

最后，我们把所有东西串起来，写一个完整的 SPI 初始化函数：

void SPI1_Init(void)
{
    // 1. 使能 SPI1 时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN;
    
    // 2. 配置 GPIO（PA5=SCK, PA6=MISO, PA7=MOSI）
    // 这里省略 GPIO 配置细节，后续章节会详细讲
    
    // 3. 配置 SPI1 控制寄存器
    SPI1->CR1 = 0;  // 先清零
    
    // 配置为主机模式，CPOL=0, CPHA=0, 8位数据, MSB先
    // 波特率分频：fPCLK/16（假设 PCLK=84MHz，则 SCK=5.25MHz）
    SPI1->CR1 |= (1 << 2);   // MSTR = 1，主机模式
    SPI1->CR1 |= (3 << 3);   // BR[2:0] = 011，分频系数 16
    // CPOL=0, CPHA=0 保持默认
    
    // 4. 使能 SPI1
    SPI1->CR1 |= (1 << 6);   // SPE = 1
}

初始化完成后，就可以用 SPI_Polling_Transfer() 来收发数据了。记住：每次传输前检查一下 SR 的 BSY 位，确保 SPI 不在忙状态。