在嵌入式系统开发中，I2C和SPI是两种最常用的串行通信协议，广泛应用于传感器、存储器、显示屏等外设的连接。本文将全面介绍在STM32平台上设计I2C和SPI接口代码时的注意事项、开发流程以及调试技巧，帮助开发者避免常见陷阱，提高开发效率。
I2C与SPI协议基础
I2C协议核心要点
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种由Philips公司开发的两线制串行通信协议，具有以下特点：
两线制：仅需SCL（串行时钟线）和SDA（串行数据线）两条线
多主多从：支持多个主设备和从设备共享同一总线
地址寻址：每个从设备有唯一地址（通常7位或10位）
半双工：同一时间只能单向传输数据
速度分级：标准模式100kbps，快速模式400kbps，高速模式3.4Mbps
I2C协议通过起始条件（S）、从机地址（7位）、读写位（R/W）、应答位（A）、数据（DATA）和停止条件（P）构成完整通信帧。在STM32中，I2C外设支持标准模式和快速模式。
SPI协议核心要点
SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola开发的全双工同步串行接口，主要特点包括：
四线制：SCK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、SS（片选）
全双工：可同时发送和接收数据
主从架构：一主多从，每个从设备需要独立片选线
无寻址机制：通过硬件片选选择从设备
高速传输：速度可达几十MHz（如W25Q64 Flash支持80MHz）
SPI有四种工作模式，由CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）组合决定：
模式0：CPOL=0，CPHA=0
模式1：CPOL=0，CPHA=1
模式2：CPOL=1，CPHA=0
模式3：CPOL=1，CPHA=1
STM32硬件资源与引脚配置
I2C引脚配置要点
在STM32F103系列中，I2C接口的默认引脚分配为：
I2C1：SCL-PB6，SDA-PB7
I2C2：SCL-PB10，SDA-PB11
配置时需注意：
必须将GPIO设置为复用开漏输出模式（I2C协议要求）
需要外接上拉电阻（通常3.3kΩ-10kΩ）
避免与其他复用功能引脚冲突
长距离传输时考虑电平转换和抗干扰设计
示例配置代码（使用HAL库）：
// 使能I2C1时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
// 配置PB6为复用开漏模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
c
运行
SPI引脚配置要点
STM32F103C8T6提供两个SPI接口：
SPI1：SCK-PA5, MISO-PA6, MOSI-PA7, NSS-PA4
SPI2：SCK-PB13, MISO-PB14, MOSI-PB15, NSS-PB12
配置注意事项：
GPIO应设置为复用推挽输出（MOSI/SCK）和浮空输入（MISO）
NSS（片选）可使用硬件管理或软件控制
多从机系统需为每个从机分配独立片选线
高速传输时注意PCB布局，缩短走线长度
使用STM32CubeMX配置SPI的示例：
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
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_SOFT;
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
HAL_SPI_Init(&hspi1);
c
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I2C开发实践与注意事项
I2C初始化配置
完整的I2C初始化应包括以下参数设置：
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
void MX_I2C1_Init(void)
{
hi2c1.Instance = I2C1;
hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000; // 100kHz
hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0; // 主模式通常设为0
hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
HAL_I2C_Init(&hi2c1);
}
c
运行
常见I2C操作API
主设备发送数据：
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, DEV_ADDR, pData, Size, Timeout);
c
运行
主设备接收数据：
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, DEV_ADDR, pData, Size, Timeout);
c
运行
存储器写入（带内部地址）：
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, DEV_ADDR, MEM_ADDR, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pData, Size, Timeout);
c
运行
存储器读取：
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, DEV_ADDR, MEM_ADDR, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pData, Size, Timeout);
c
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I2C开发关键注意事项
总线死锁处理：
STM32的I2C外设容易因异常中断导致总线死锁
解决方案：检测到错误时执行硬件复位
__HAL_RCC_I2C1_FORCE_RESET();
__HAL_RCC_I2C1_RELEASE_RESET();
MX_I2C1_Init();
c
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地址对齐：
7位地址需左移1位，最低位表示读写方向（0-写，1-读）
例如设备地址0x68，写地址为0xD0，读地址为0xD1
时序问题：
严格按照设备手册的时序要求
关键信号（起始、停止、重复起始）的时序要准确
错误处理：
if(__HAL_I2C_GET_FLAG(&hi2c1, I2C_FLAG_AF) != RESET) {
__HAL_I2C_CLEAR_FLAG(&hi2c1, I2C_FLAG_AF);
}
c
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上拉电阻选择：
根据总线电容和速度选择合适阻值（通常3.3kΩ-10kΩ）
高速模式下可能需要更小的阻值
SPI开发实践与注意事项
SPI初始化配置
典型SPI主模式配置示例：
hspi1.Instance = SPI1;
hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; // CPOL=0
hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; // CPHA=0
hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
HAL_SPI_Init(&hspi1);
c
运行
常见SPI操作API
阻塞式传输：
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, pData, Size, Timeout);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, pData, Size, Timeout);
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, pTxData, pRxData, Size, Timeout);
c
运行
中断方式：
HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, pData, Size);
HAL_SPI_Receive_IT(&hspi1, pData, Size);
c
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DMA方式：
HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, pData, Size);
HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, pData, Size);
c
运行
SPI开发关键注意事项
模式匹配：
必须与从设备的工作模式（CPOL/CPHA）完全一致
可通过逻辑分析仪验证时序
片选信号管理：
软件控制NSS时，需手动拉低/拉高GPIO
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); // 选中
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &data, 1, 100);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET); // 释放
c
运行
从机模式问题：
从机模式下易出现OVERRUN错误和BSY标志置位
解决方案：错误时重置SPI外设
__HAL_RCC_SPI1_FORCE_RESET();
__HAL_RCC_SPI1_RELEASE_RESET();
MX_SPI1_Init();
c
运行
数据对齐：
确保数据帧大小（8位/16位）与设备匹配
MSB/LSB先行设置要正确
高速传输优化：
使用DMA减少CPU开销
适当提高时钟分频系数
优化PCB布局，减少寄生电容
调试技巧与工具
逻辑分析仪的使用
逻辑分析仪是调试I2C/SPI的利器，可以：
捕获波形：直观显示SCL/SDA或SCK/MOSI/MISO信号
协议解码：自动解析I2C/SPI数据帧
时序测量：验证建立时间、保持时间等参数
典型SPI波形分析（模式0）：
SCK空闲低电平，第一个边沿（上升沿）采样数据
MOSI在SCK上升沿前稳定，下降沿可变化
常见问题排查
I2C无应答：
检查设备地址是否正确
验证上拉电阻是否合适
确认从设备是否就绪
SPI数据错误：
确认CPOL/CPHA设置
检查片选信号时序
验证时钟频率是否超出从设备限制
DMA传输异常：
检查缓冲区地址对齐
验证DMA通道配置
确保传输完成前不访问缓冲区
调试代码示例
I2C扫描工具（检测总线上的设备）：
void I2C_Scan(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
uint8_t error, addr;
for(addr = 1; addr < 128; addr++)
{
error = HAL_I2C_IsDeviceReady(hi2c, addr << 1, 2, 2);
if(error == HAL_OK) {
printf("Device found at 0x%02X\n", addr);
}
}
}
c
运行
性能优化与高级应用
DMA优化通信性能
DMA（直接内存访问）可显著提升通信效率：
配置步骤：
在CubeMX中启用SPI/I2C的DMA通道
设置DMA传输方向（外设↔内存）
配置优先级和数据宽度
示例代码：
// SPI DMA发送
HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, txBuffer, length);
// SPI DMA接收
HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, rxBuffer, length);
// 传输完成回调
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
// 处理完成事件
}
c
运行
多从机系统设计
I2C多从机：
利用不同设备地址区分
注意总线电容和上拉电阻计算
考虑使用I2C多路复用器（如PCA9548）
SPI多从机：
为每个从机分配独立片选线
注意总线负载和信号完整性
高速系统考虑使用缓冲器
低功耗设计
I2C省电技巧：
空闲时进入睡眠模式
降低总线速度
关闭不用的从设备电源
SPI省电技巧：
通信后禁用SPI外设
使用硬件NSS自动管理
选择支持低功耗的从设备
实战案例：EEPROM与Flash读写
I2C连接AT24Cxx EEPROM
设备地址：
基础地址0xA0（写）/0xA1（读）
A0/A1/A2引脚决定低三位
页写入：
#define EEPROM_ADDR 0xA0
void EEPROM_WritePage(uint16_t memAddr, uint8_t *data, uint8_t len)
{
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, EEPROM_ADDR, memAddr,
I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, len, 100);
HAL_Delay(5); // 等待写入完成
}
c
运行
随机读取：
uint8_t EEPROM_ReadByte(uint16_t memAddr)
{
uint8_t val;
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, EEPROM_ADDR, memAddr,
I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &val, 1, 100);
return val;
}
c
运行
SPI连接W25Qxx Flash
初始化：
void W25Q_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// 配置CS引脚
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
W25Q_CS_HIGH();
}
c
运行
读取ID：
uint16_t W25Q_ReadID(void)
{
uint8_t cmd[4] = {0x90, 0x00, 0x00, 0x00};
uint8_t id[2];
W25Q_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, 100);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, id, 2, 100);
W25Q_CS_HIGH();
return (id[0] << 8) | id[1];
}
c
运行
页编程：
void W25Q_PageProgram(uint32_t addr, uint8_t *data, uint16_t len)
{
uint8_t cmd[4];
cmd[0] = 0x02; // 页编程指令
cmd[1] = (addr >> 16) & 0xFF;
cmd[2] = (addr >> 8) & 0xFF;
cmd[3] = addr & 0xFF;
W25Q_WriteEnable();
W25Q_CS_LOW();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, 100);
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, len, 100);
W25Q_CS_HIGH();
W25Q_WaitForWriteEnd();
}
c
运行
总结与最佳实践
I2C开发黄金法则
始终检查应答信号：每个字节传输后验证ACK/NACK
处理总线忙状态：启动前检查BUSY标志
合理设置超时：避免程序死锁
使用中断/DMA：提高系统效率
添加重试机制：关键操作应有重试逻辑
SPI开发黄金法则
严格匹配模式：CPOL/CPHA必须正确
管理好片选信号：确保时序符合要求
高速系统优化：使用DMA，缩短走线
注意字节序：MSB/LSB设置要一致
错误恢复机制：包括SPI外设重置
通用建议
充分利用STM32CubeMX：可视化配置外设
参考官方示例：ST提供标准外设库和HAL库示例
分层设计：分离硬件驱动与业务逻辑
完善日志：记录通信错误和状态
保持更新：关注ST官网的勘误和更新
通过掌握这些开发要点和注意事项，开发者能够在STM32平台上高效可靠地实现I2C和SPI通信，构建稳定高效的嵌入式系统。记住，实践是最好的老师，多动手实验，多使用调试工具，才能真正掌握这些通信接口的精髓。
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