SPI 드라이버 구현 — Master·Slave·CRC·DMA
#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
| 신호 | 방향 | 비고 |
|---|---|---|
| SCK | Master → Slave | serial clock |
| MOSI | Master → Slave | data out |
| MISO | Master ← Slave | data in |
| NSS / CS | Master → Slave | active-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)
| Mode | CPOL | CPHA | Idle clock | Sample edge |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | LOW | Rising |
| 1 | 0 | 1 | LOW | Falling |
| 2 | 1 | 0 | HIGH | Falling |
| 3 | 1 | 1 | HIGH | Rising |
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| BR | Divider | Clock @ 84 MHz |
|---|---|---|
| 0 | /2 | 42 MHz |
| 1 | /4 | 21 MHz |
| 2 | /8 | 10.5 MHz |
| 3 | /16 | 5.25 MHz |
| 4 | /32 | 2.6 MHz |
| 5 | /64 | 1.3 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;}
// 사용uint8_t rx = spi_xfer(0xFF); // read only — TX는 don't carespi_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.
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
⚠️
BSY폴링 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->DR을 uint32_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.
BSY폴링 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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