ESP32 與 STM32 SPI 通訊實戰：從時序圖看懂資料傳輸

2026 年 5 月 21 日 7點熱度 0人點贊 0條評論

SPI 通訊（Serial Peripheral Interface）是嵌入式開發中最基礎也最常用的通訊協定之一。無論是 ESP32 還是 STM32，幾乎所有感測器、顯示器、SD 卡模組都透過 SPI 溝通。但很多開發者看完 SPI 時序圖還是一頭霧水——CLK 極性是什麼？CPOL、CPHA 到底怎麼設？

這篇文章會用最直觀的方式——時序圖 + 實戰程式碼，帶你徹底搞懂 SPI，並實際讓 ESP32 和 STM32 成功通訊。

一、什麼是 SPI？

SPI 是一種全雙工、同步、主從式的通訊協定，由 Motorola 在 1980 年代提出。它用四條線解決問題：

訊號線	全名	作用
SCLK / SCK	Serial Clock	時脈，由 Master 產生
MOSI	Master Out Slave In	Master → Slave 資料線
MISO	Master In Slave Out	Slave → Master 資料線
CS / SS	Chip Select / Slave Select	片選，低電位有效

與 I2C 相比，SPI 的優點是速度更快（可達 40MHz 以上）、全雙工；缺點是需要更多接腳（每多一個 Slave 多一條 CS）。

二、SPI 時序圖解讀

以下是用 Python + WaveDrom 產生的 SPI Mode 0 時序圖。這是最常見的模式（CPOL=0, CPHA=0）：

看時序圖的關鍵：

SCLK：Master 產生的時脈訊號。Mode 0 時，空閒狀態為低電位，在上升緣採樣資料。
CS：拉低表示開始通訊，拉高表示結束。
MOSI：Master 在每個 CLK 上升緣送出一個 bit，從 D7（MSB）開始。
MISO：Slave 在同一個上升緣同步送回資料。
一個 byte 需要 8 個時脈週期。

時序圖本身就是用 Python 產生的，JSON 定義如下：

{
    "signal": [
        {"name": "SCLK", "wave": "P....|...."},
        {"name": "CS",   "wave": "1.0..|..0."},
        {"name": "MOSI", "wave": "0.101|01.0"},
        {"name": "MISO", "wave": "0..0.|.1.0"},
        {"name": "Data", "wave": "x.==.|==.x", 
         "data": ["D7","D6","D5","D4","D3","D2","D1","D0"]}
    ]
}

三、四種 SPI Mode 詳解

SPI 的四種 Mode 由 CPOL（Clock Polarity）和 CPHA（Clock Phase）決定：

Mode	CPOL	CPHA	空閒 CLK	資料採樣	常用裝置
0	0	0	低電位	上升緣	W25Qxx、ST7735、MAX6675
1	0	1	低電位	下降緣	某些 ADC
2	1	0	高電位	下降緣	NRF24L01
3	1	1	高電位	上升緣	某些感測器

記法：Mode 0 和 Mode 3 都是上升緣採樣，差別只在空閒時 CLK 是低還是高。90% 的感測器都用 Mode 0，可以先以此為預設值。

四、ESP32 作為 Master（Arduino IDE）

以下程式讓 ESP32 作為 SPI Master，每秒發送一筆資料給 STM32：

#include <SPI.h>

#define CS_PIN   5
#define SCK_PIN  18
#define MOSI_PIN 23
#define MISO_PIN 19

#define SPI_FREQ  1000000
#define SPI_MODE  SPI_MODE0

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    SPI.begin(SCK_PIN, MISO_PIN, MOSI_PIN, CS_PIN);
    SPI.beginTransaction(SPISettings(SPI_FREQ, MSBFIRST, SPI_MODE));
    pinMode(CS_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
    Serial.println("ESP32 SPI Master 已啟動");
}

void loop() {
    uint8_t tx_data[] = {0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD};
    uint8_t rx_data[4] = {0};

    digitalWrite(CS_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(10);

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        rx_data[i] = SPI.transfer(tx_data[i]);
    }

    digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(10);

    Serial.print("TX: ");
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        Serial.printf("%02X ", tx_data[i]);
    }
    Serial.print("| RX: ");
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        Serial.printf("%02X ", rx_data[i]);
    }
    Serial.println();

    delay(1000);
}

五、STM32 作為 Slave（STM32CubeIDE + HAL）

STM32 這邊使用 HAL 庫配置為 SPI Slave，中斷方式接收：

/* STM32 SPI Slave 接收程式 */
/* 使用 STM32CubeMX 配置 SPI1 為 Slave */

#include "main.h"

SPI_HandleTypeDef hspi1;
uint8_t rx_buffer[4];
uint8_t tx_buffer[4] = {0x11, 0x22, 0x33, 0x44};
volatile uint8_t spi_ready = 0;

void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    if (hspi->Instance == SPI1) {
        spi_ready = 1;
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_SPI1_Init();

    HAL_SPI_Receive_IT(&hspi1, rx_buffer, 4);

    while (1) {
        if (spi_ready) {
            spi_ready = 0;
            HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, tx_buffer, rx_buffer, 4);
            printf("SPI 收到: ");
            for (int i = 0; i < 4; i++) {
                printf("%02X ", rx_buffer[i]);
            }
            printf("\r\n");
        }
    }
}

void MX_SPI1_Init(void) {
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_SLAVE;
    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_HARD_INPUT;
    hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
    hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
    hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}