3. SPI 硬件控制器：寄存器映射与核心寄存器详解

在嵌入式系统中，SPI 外设的硬件控制完全通过一组内存映射寄存器实现。以典型的 STM32 MCU 为例，其 SPI 外设被映射到特定的地址空间，CPU 通过读写这些寄存器来配置模式、检查状态和收发数据。理解寄存器映射和每个控制/状态位的含义，是编写高效 SPI 驱动的基础。

3.1 SPI 外设寄存器映射概览

STM32 的 SPI 外设（如 SPI1、SPI2）挂载在高级高性能总线（AHB）或外设总线（APB）上，每个外设占用 1KB 的地址空间。以下为典型的 SPI 寄存器映射表（以 SPI1 为例，基地址 0x40013000）：

3.2 控制寄存器 1 (CR1) 详解

CR1 是 SPI 外设的核心配置寄存器，决定了通信的基本参数。其位定义如下：

SPI1->CR1 = (0x2 << 3) | (1 << 2) | (0 << 1) | (0 << 0); // BR=010, MSTR=1, CPOL=0, CPHA=0
SPI1->CR1 |= (1 << 6); // 使能 SPE

3.3 控制寄存器 2 (CR2) 详解

CR2 主要负责中断控制、DMA 传输和帧格式扩展：

3.4 状态寄存器 (SR) 详解

SR 是驱动轮询或中断查询的关键寄存器，反映外设当前工作状态：

// 发送一个字节
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE)); // 等待 TXE=1
SPI1->DR = data;

// 接收一个字节
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE)); // 等待 RXNE=1
received = SPI1->DR;

3.5 数据寄存器 (DR) 与双缓冲机制

DR 是 SPI 外设与 CPU 或 DMA 交换数据的窗口。STM32 的 SPI 采用双缓冲结构：

• 发送路径： CPU/DMA 写入 DR → 发送缓冲区（TX Buffer）→ 移位寄存器 → MOSI 引脚逐位输出。
• 接收路径： MISO 引脚逐位输入 → 移位寄存器 → 接收缓冲区（RX Buffer）→ CPU/DMA 读取 DR。

双缓冲的优势在于：当移位寄存器正在处理当前数据时，CPU 可以提前写入下一个数据或读取上一个已接收的数据，从而减少等待时间。

3.6 SPI 寄存器操作流程 SVG 图

下图展示了 SPI 外设寄存器之间的数据流和控制关系：

3.7 寄存器操作时序与注意事项

在实际驱动开发中，寄存器操作需要遵循特定的时序要求：

• 使能顺序： 必须先配置 CR1 的所有参数（MSTR、CPOL、CPHA、BR 等），最后再置位 SPE 使能外设。中途修改关键参数时，建议先清零 SPE。
• DR 访问时序： 写入 DR 前必须确认 TXE=1；读取 DR 前必须确认 RXNE=1。连续写入时，需等待 TXE 再次置位。
• BSY 标志： 在关闭 SPI 或修改配置前，必须等待 BSY=0，确保当前传输完成。BSY 在双线全双工模式下，从最后一个数据位采样完成后自动清零。
• 错误处理： OVR、MODF、CRCERR 等错误标志必须由软件通过读取 SR 后写入 DR 或执行特定序列清零，否则外设可能卡死。

3.8 寄存器映射在内存中的布局

在 STM32 的 CMSIS 头文件中，SPI 寄存器被定义为一个结构体，方便通过指针访问：

typedef struct {
  __IO uint16_t CR1;      // 控制寄存器 1，偏移 0x00
  __IO uint16_t CR2;      // 控制寄存器 2，偏移 0x04
  __IO uint16_t SR;       // 状态寄存器，偏移 0x08
  __IO uint16_t DR;       // 数据寄存器，偏移 0x0C
  __IO uint16_t CRCPR;    // CRC 多项式，偏移 0x10
  __IO uint16_t RXCRCR;   // RX CRC，偏移 0x14
  __IO uint16_t TXCRCR;   // TX CRC，偏移 0x18
  __IO uint16_t I2SCFGR;  // I2S 配置，偏移 0x1C
  __IO uint16_t I2SPR;    // I2S 预分频，偏移 0x20
} SPI_TypeDef;

#define SPI1_BASE    0x40013000
#define SPI1         ((SPI_TypeDef *) SPI1_BASE)

这种结构体映射方式使得寄存器访问如同普通变量操作，编译器会自动生成合适的 LDR/STR 指令。在性能调优时，可以进一步使用 __IO 限定词确保每次访问都直接操作外设寄存器，避免编译器优化导致的数据不一致。