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Modern Embedded Recipes · 42/152

SPI 드라이버 구현 — Master·Slave·CRC·DMA

· Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“SPI는 4선 풀듀플렉스. CPOL/CPHA와 CS만 맞으면 동작합니다.” Multi-slave는 CS 핀을 GPIO로 직접 제어하는 것이 표준입니다.

#어떤 상황에서 쓰나

SPI는 sensor·flash·display·SD card·radio module이 가장 자주 쓰는 버스입니다. I2C보다 빠르고 (10-50 MHz), UART보다 동기적이며, 신호선이 4개로 적당합니다. STM32 SPI peripheral은 master/slave 양쪽 지원, 16-bit data, DMA까지 모두 갖춥니다.

이 글은 SPI master 드라이버를 polling·interrupt·DMA로 작성하고, 멀티 슬레이브 환경에서의 CS 제어 패턴을 다룹니다.

#핵심 개념

#SPI 신호선

신호방향비고
SCKMaster → Slaveserial clock
MOSIMaster → Slavedata out
MISOMaster ← Slavedata in
NSS / CSMaster → Slaveactive-low chip select

NSS (또는 CS, SS)는 active-low입니다. 둘 이상의 slave가 있으면 master 측 GPIO 여러 개로 각 slave의 CS를 제어합니다. STM32의 HW NSS는 한 핀만 지원해 multi-slave에서는 수동 CS가 표준입니다.

#CPOL / CPHA (Mode 0~3)

ModeCPOLCPHAIdle clockSample edge
000LOWRising
101LOWFalling
210HIGHFalling
311HIGHRising

대부분의 sensor·flash·SD card는 Mode 0. 일부 ADC, audio codec은 다른 모드를 씁니다. datasheet의 “SPI timing diagram”을 항상 확인합니다.

#Baud divider

SPI clock = PCLK / 2^(BR + 1)
PCLK2 = 84 MHz, BR = 2 → 84 / 8 = 10.5 MHz
BRDividerClock @ 84 MHz
0/242 MHz
1/421 MHz
2/810.5 MHz
3/165.25 MHz
4/322.6 MHz
5/641.3 MHz

flash·SD는 보통 25-50 MHz, sensor는 1-10 MHz, display는 모델별로 다양.

#Full-duplex 동작

SPI는 동시에 1바이트 송신·수신합니다. write할 데이터가 없어도 dummy byte (0xFF 등) 송신하면서 receive합니다.

uint8_t spi_xfer(uint8_t tx) {
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE));
SPI1->DR = tx;
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE));
return SPI1->DR;
}
// 사용
uint8_t rx = spi_xfer(0xFF); // read only — TX는 don't care
spi_xfer(0xA5); // write only — RX는 버림

#코드 예제

#1. SPI master init

void spi_init_master(uint32_t div) {
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SPI1EN;
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
// PA5 SCK, PA6 MISO, PA7 MOSI (AF5)
gpio_init(GPIOA, 5, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .speed=GPIO_SPEED_VH, .af=5});
gpio_init(GPIOA, 6, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .speed=GPIO_SPEED_VH, .af=5, .pull=GPIO_PULL_UP});
gpio_init(GPIOA, 7, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .speed=GPIO_SPEED_VH, .af=5});
// CS는 GPIO로 별도 제어 — PA4 (active-low)
gpio_init(GPIOA, 4, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT, .speed=GPIO_SPEED_HIGH});
GPIOA->BSRR = (1u << 4); // CS high (deselect)
SPI1->CR1 = SPI_CR1_MSTR // master
| (div << 3) // BR
| SPI_CR1_SSM | SPI_CR1_SSI // software NSS, NSS held high
| SPI_CR1_SPE; // enable
// CPOL=0, CPHA=0, 8-bit, MSB-first
}

#2. Polling transfer

static inline void cs_low(void) { GPIOA->BSRR = (1u << (4 + 16)); }
static inline void cs_high(void) { GPIOA->BSRR = (1u << 4); }
uint8_t spi_xfer8(uint8_t tx) {
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE));
*((volatile uint8_t *)&SPI1->DR) = tx; // 8-bit access
while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE));
return *((volatile uint8_t *)&SPI1->DR);
}
void spi_write(const uint8_t *buf, size_t n) {
cs_low();
for (size_t i = 0; i < n; i++) spi_xfer8(buf[i]);
while (SPI1->SR & SPI_SR_BSY); // wait last bit out
cs_high();
}
void spi_read(uint8_t *buf, size_t n) {
cs_low();
for (size_t i = 0; i < n; i++) buf[i] = spi_xfer8(0xFF);
while (SPI1->SR & SPI_SR_BSY);
cs_high();
}

핵심 디테일: BSY flag가 clear되기 전에 CS를 high로 올리면 마지막 비트가 깨집니다. 항상 while(BSY) 후 CS 올림.

#3. DMA transfer

void spi_init_dma(void) {
// SPI1 RX = DMA2 Stream 0/2, Channel 3
// SPI1 TX = DMA2 Stream 3/5, Channel 3
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_DMA2EN;
// RX
DMA2_Stream0->PAR = (uint32_t)&SPI1->DR;
DMA2_Stream0->CR = (3u << 25)
| DMA_SxCR_MINC
| DMA_SxCR_TCIE;
// TX
DMA2_Stream3->PAR = (uint32_t)&SPI1->DR;
DMA2_Stream3->CR = (3u << 25)
| DMA_SxCR_DIR_0
| DMA_SxCR_MINC
| DMA_SxCR_TCIE;
SPI1->CR2 |= SPI_CR2_TXDMAEN | SPI_CR2_RXDMAEN;
NVIC_EnableIRQ(DMA2_Stream0_IRQn);
}
volatile int spi_dma_done;
void spi_xfer_dma(const uint8_t *tx, uint8_t *rx, size_t n) {
spi_dma_done = 0;
cs_low();
DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)rx;
DMA2_Stream0->NDTR = n;
DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_EN;
DMA2_Stream3->M0AR = (uint32_t)tx;
DMA2_Stream3->NDTR = n;
DMA2_Stream3->CR |= DMA_SxCR_EN;
while (!spi_dma_done);
while (SPI1->SR & SPI_SR_BSY);
cs_high();
}
void DMA2_Stream0_IRQHandler(void) {
DMA2->LIFCR = DMA_LIFCR_CTCIF0;
spi_dma_done = 1;
}

DMA는 > 32 byte 전송에서 빛을 봅니다. 짧은 register read·write는 polling이 더 빠릅니다.

#4. Multi-slave CS pattern

typedef struct {
GPIO_TypeDef *cs_port;
uint16_t cs_pin;
uint8_t div; // baud divider per slave
uint8_t mode; // CPOL/CPHA
} spi_slave_t;
static spi_slave_t flash = {GPIOA, 4, 0, 0};
static spi_slave_t adc = {GPIOA, 3, 2, 1};
void spi_select(const spi_slave_t *s) {
SPI1->CR1 &= ~SPI_CR1_SPE;
SPI1->CR1 = (SPI1->CR1 & ~((7u << 3) | SPI_CR1_CPOL | SPI_CR1_CPHA))
| (s->div << 3)
| ((s->mode & 2) ? SPI_CR1_CPOL : 0)
| ((s->mode & 1) ? SPI_CR1_CPHA : 0)
| SPI_CR1_SPE;
s->cs_port->BSRR = (1u << (s->cs_pin + 16)); // CS low
}
void spi_deselect(const spi_slave_t *s) {
while (SPI1->SR & SPI_SR_BSY);
s->cs_port->BSRR = (1u << s->cs_pin); // CS high
}

각 slave가 다른 mode·divider일 수 있으므로 select 시점에 재구성합니다.

#측정 / 동작 확인

로직 애널라이저로 SCK·MOSI·MISO·CS 4채널을 보면 완전한 transaction이 보입니다.

SPI transaction — CS · SCK · MOSI · MISO 4채널

while(BSY) 빠뜨림은 CS edge가 마지막 SCK falling보다 빠른 패턴으로 보입니다. 마지막 비트가 잘립니다.

오실로스코프로 SCK clock 주기를 보면 divider 검증이 됩니다 (PCLK / 2^(BR+1)).

#자주 보는 함정

⚠️ BSY 폴링 전 CS 올림

마지막 비트가 깨집니다. 항상 while(SPI->SR & BSY) 후 CS 올림.

⚠️ Mode 잘못

scope에 SCK는 보이는데 수신 데이터가 이상하면 CPOL/CPHA 의심. datasheet timing diagram과 직접 비교합니다.

⚠️ MISO에 pull-up 없음

slave가 high-Z일 때 MISO가 floating → 의미 없는 read. internal pull-up enable.

⚠️ 8-bit transfer인데 16-bit access

SPI->DRuint32_t write하면 STM32는 16-bit transfer로 해석합니다. 8-bit access는 byte pointer cast가 필요합니다.

⚠️ DMA 사용 시 CR2 enable 누락

TXDMAEN/RXDMAEN 빠뜨리면 DMA가 trigger되지 않습니다.

⚠️ Clock speed가 PCB 한계 초과

flying wires로 50 MHz는 동작 안 함. 짧은 PCB trace + ground plane이 있어야 25-50 MHz가 안정. 보드 prototype에는 5-10 MHz에서 시작.

#정리

  • SPI는 4선 (SCK/MOSI/MISO/CS). 멀티 slave는 CS를 GPIO로 직접 제어.
  • Mode 0이 기본, CPOL/CPHA는 datasheet timing 확인 필수.
  • BSY 폴링 후 CS up이 가장 흔한 디테일 함정.
  • DMA는 > 32 byte에서 효과, 짧은 transaction은 polling.
  • baud는 PCB 품질에 의존 — prototype은 5 MHz에서 시작해 올려 봅니다.

다음 편은 I2C 드라이버입니다. state machine, repeated start, NACK 회복, timeout을 다룹니다.

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Modern Embedded Recipes · 43 of 152

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  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
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  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
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  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
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  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
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  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
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  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX