ESP32 與 STM32 SPI 通訊實戰：從時序圖看懂資料傳輸

前言：SPI 是嵌入式開發的必修課，但它其實不難

SPI 由 Motorola 在 1980 年代提出，定位很明確：全雙工、同步、主從式的通訊。它用四條線解決問題，換來的是比 I2C 快得多的速度（可達 40 MHz 以上）。

缺點也很老實：每多一個 Slave 就多一條 CS 線。所以常見的配置是「一個 Master、少數幾個 Slave」，而不是像 I2C 那樣掛一整排。

四條線解決什麼問題

把方向畫出來就更容易理解為什麼它叫「全雙工」：

時序圖：Mode 0 的一個 byte

Mode 0（CPOL ＝ 0、CPHA ＝ 0）是最常見的組合，看懂它就懂八成了：

四個觀察重點：CS 拉低表示開始、SCLK 由 Master 產生、MOSI 在每個上升緣送出一個 bit（從 D7 開始）、MISO 在同一個上升緣同步送回資料。一個 byte 就是 8 個時脈週期。

四種 Mode：CPOL 與 CPHA 的組合

記法很簡單：Mode 0 與 Mode 3 都是上升緣採樣，差別只在空閒時 CLK 是高還是低。而且 90% 的感測器都用 Mode 0，所以不確定時先用它。

ESP32 當 Master

Arduino IDE 環境下的 SPI Master 寫起來很短，重點只有「設定」與「選取 Slave」兩件事：

#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);
}

STM32 當 Slave

Slave 端用 CubeMX 配置成 SPI Slave，並用中斷方式接收：

/* 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);
}

接線與電壓

這一段看起來像廢話，但 SPI 的問題有一半在這裡：MOSI 接 MOSI、MISO 接 MISO、務必共地、確認兩邊邏輯電壓相同。

用邏輯分析儀驗證

時序圖本身可以用 Python ＋ WaveDrom 產生，先定義再驗證：

{
    "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"]}
    ]
}

接上邏輯分析儀（Saleae、Kingst、DSLogic 等）之後，你應該看到：

四個常見問題

其中 Q3 最隱蔽：STM32 的 NSS 在 Slave 模式下必須設為 Hardware Input。設成 Software 的話，硬體不會自動識別 CS 訊號，你會覺得「明明線都對，它就是不反應」。

總結

SPI 的知識點其實只有幾條，但每一條都會在實作時咬人：

• 四條線、一個 Master：SCLK、MOSI、MISO、每個 Slave 一條 CS
• 全雙工：送與收共用同一組時脈，同時發生
• Mode 0 是預設：90% 的感測器都用它，不確定就先試這個
• CS 要拉對：收到全 0xFF 或全 0x00 時，第一個要查的就是它
• 時脈別亂催：麵包板超過 20 cm 就開始不穩，必要時降到 500 kHz

把這五點記住，剩下的就只剩查 datasheet 上的 Mode 與時序參數了。