本文介绍如何使用STM32标准外设库的GPIO端口模拟SPI，本例程使用PA5、PA6和PA7模拟一路SPI。SPI有4种工作模式，模拟SPI使用模式0，即空闲时SCK为低电平，在奇数边沿采样。

本文适合对单片机及Ｃ语言有一定基础的开发人员阅读，MCU使用STM32F103VE系列。

1. 简介

SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在要求通讯速率较高的场合。SPI用于多设备之间通讯，分为主机Master和从机Slave，主机只有一个，从机可以有多个，通过片选信号对从机进行选择，一次只能选择一个从机。通讯只能由主机发起，支持的操作分为读取和写入，即主机读取从机的数据，以及向从机写入数据。

SPI一般有4根线，分别是片选线SS、时钟线SCK、主设备输出\从设备输入MOSI、主设备输入\从设备输出MISO，其中除MISO对于主机为输入引脚外，其他引脚对于主机均为输出引脚。因为有独立的输入和输出引脚，因此SPI支持全双工工作模式，即可以同时接收和发送。

2. 总线传输信号

空闲状态：片选信号SS低电平有效，那么空闲状态片选信号SS为高。
开始信号及结束信号：开始信号需要将片选信号SS拉低，结束信号需要将片选信号SS拉高。
通讯模式：SPI有4种通讯模式，分别为0、1、2、3，根据时钟极性和时钟相位确定，时钟极性分别为空闲低电平和空闲高电平，时钟相位分别为SCK奇数边沿采样和偶数边沿采样。常用的模式为模式0和模式3。
SPI模式 时钟极性（空闲时SCK时钟） 时钟相位（采样时刻）
0 低电平 奇数边沿
1 低电平 偶数边沿
2 高电平 奇数边沿
3 高电平 偶数边沿

3. 时序说明

以模式0举例说明：

空闲状态：片选信号SS为高，SCK输出低电平。
开始信号：片选信号SS变低，SCK输出低电平。
结束信号：片选信号SS变高，SCK输出低电平。
读取：SCK由低变高之后，读取MISO引脚信号。
写入：SCK输出低电平，MOSI引脚输出相应的电平，然后SCK输出高电平。
一个时钟周期同时读取和写入：SCK输出低电平，主设备控制MOSI输出相应电平，从设备控制MISO输出相应电平，然后SCK输出高电平，从设备读取MOSI引脚电平，主设备读取MISO引脚电平。即无论主设备还是从设备，均在SCK为低电平时输出信号，在SCK为高电平时读取信号。

4. 初始化

初始化跟普通GPIO类似，SCK和MOSI设置为推挽输出，而MISO设置为浮空输入。

GPIO初始化完成之后，SCK置为低电平，进入空闲状态。

5. 模拟信号

由于SPI支持一个周期内同时读取和写入，因此读取和写入操作可以用一个函数实现，而单独的读取函数和写入函数可以通过调用该读写函数实现。

完整代码（仅自己编写的部分）

#define SPI_SCK_1    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5)            /* SCK = 1 */
#define SPI_SCK_0    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5)        /* SCK = 0 */

#define SPI_MOSI_1    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7)            /* MOSI = 1 */
#define SPI_MOSI_0    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_7)        /* MOSI = 0 */

#define SPI_READ_MISO    GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6)    /* 读MISO口线状态 */

#define Dummy_Byte    0xFF    //读取时MISO发送的数据，可以为任意数据


//初始化SPI
void SPI_IoInit(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

    //CS引脚初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;           //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

    //SCK和MOSI引脚初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;           //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    //MISO引脚初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;               //浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    SPI_CS_1;
    SPI_SCK_1;
}

//SPI可以同时读取和写入数据，因此一个函数即可满足要求
uint8_t SPI_ReadWriteByte(uint8_t txData)
{
    uint8_t i;
    uint8_t rxData = 0;

    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        SPI_SCK_0;
        delay_us(1);
        //数据发送
        if(txData & 0x80){
            SPI_MOSI_1;
        }else{
            SPI_MOSI_0;
        }
        txData <<= 1;
        delay_us(1);

        SPI_SCK_1;
        delay_us(1);
        //数据接收
        rxData <<= 1;
        if(SPI_READ_MISO){
            rxData |= 0x01;
        }
        delay_us(1);
    }
    SPI_SCK_0;

    return rxData;
}

uint8_t SPI_ReadByte(void)
{
    return SPI_ReadWriteByte(Dummy_Byte);
}

void SPI_WriteByte(uint8_t txData)
{
    (void)SPI_ReadWriteByte(txData);
}
以下是使用STM32的HAL库和GPIO模拟SPI时序控制的示例代码，添加软件延迟来补偿相位差，可以根据实际情况进行微调。

c
//定义GPIO引脚号
#define SPI_CLK_Pin GPIO_PIN_5
#define SPI_MISO_Pin GPIO_PIN_6

//定义GPIO端口号
#define SPI_CLK_Port GPIOA
#define SPI_MISO_Port GPIOA

//定义延迟时间（单位：微秒）
#define DELAY_TIME 10

//设置SCK线输出高电平
HAL_GPIO_WritePin(SPI_CLK_Port, SPI_CLK_Pin, GPIO_PIN_SET);

//发送数据位
for (int i = 0; i < 8; i++) {
  //设置MOSI值
  if (data & (1 << (7 - i))) {
    HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_Port, SPI_MOSI_Pin, GPIO_PIN_SET);
  } else {
    HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_Port, SPI_MOSI_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  }

  //下降沿时钟
  HAL_GPIO_WritePin(SPI_CLK_Port, SPI_CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(DELAY_TIME);

  //上升沿时钟
  HAL_GPIO_WritePin(SPI_CLK_Port, SPI_CLK_Pin, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(DELAY_TIME);
}

//接收数据位
uint8_t data = 0;
for (int i = 0; i < 8; i++) {
  //下降沿时钟
  HAL_GPIO_WritePin(SPI_CLK_Port, SPI_CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(DELAY_TIME);

  //读取MISO值
  if (HAL_GPIO_ReadPin(SPI_MISO_Port, SPI_MISO_Pin) == GPIO_PIN_SET) {
    data |= (1 << (7 - i));
  }

  //上升沿时钟
  HAL_GPIO_WritePin(SPI_CLK_Port, SPI_CLK_Pin, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(DELAY_TIME);
}
在代码中，我们定义了SCK线和MISO线的GPIO引脚号和端口号，并设置一个延迟时间来进行时序微调。在发送数据位和接收数据位的循环中，我们通过控制SCK线的高低电平来同步数据传输，同时使用延迟函数进行微调。您可以根据实际情况更改延迟时间来达到最佳效果。