【ESP32-IDF】高级外设开发4：SPI

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前言
一、SPI概述
- 1.主要功能
- 2.SPI控制器架构
- 3.SPI通信模式
- 4.SPI数据帧与事务
- 5.DMA与传输性能
- 6.中断与驱动事件
二、SPI类型定义及相关API
三、SPI示例程序
总结

前言

在嵌入式开发中，SPI（串行外设接口）是一种常用的高速同步串行通信接口。ESP32 作为一款高性能 MCU，集成了多组 SPI 控制器，支持多主从设备连接、双全工/半双工通信以及 DMA 数据传输等高级功能。本篇文章将深入解析 ESP32（以 ESP32-S3 为例）的 SPI 外设，从硬件架构到软件使用，帮助开发者掌握其高级应用技巧。

一、SPI概述

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 ADC设备、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。

1.主要功能

ESP32 系列芯片集成了 4 个 SPI 控制器（SPI0/1/2/3）。其中 SPI0 和 SPI1 主要用于内部连接 Flash 和 PSRAM，不提供给用户；SPI2 和 SPI3 则作为通用 SPI（GP-SPI）对外开放，可用于连接各类 SPI 从设备。

SPI 控制器支持主机/从机模式，默认作为主机使用，可独立配置时钟频率（ESP32-S3 默认时钟源为 80 MHz APB，可分频得到常用频率，部分模式下最高支持 80MHz，特定八线模式下可达 120MHz）、数据传输模式（SPI Mode0/1/2/3，对应时钟极性CPOL和相位CPHA组合）、传输字节序（MSB或LSB优先）等。SPI 支持全双工同步收发（默认 MOSI/MISO 双线），也支持半双工模式（如三线 SPI，共用单数据线收发）。
GP-SPI2 和 GP-SPI3 支持的数据模式
在这里插入图片描述
ESP32 的 SPI 控制器具备多线并行传输能力，可工作在 Dual SPI、Quad SPI、Octal SPI等模式以提升吞吐量（常用于高速闪存、显示屏等外设）。在数据传输方面，SPI 硬件提供发送/接收 FIFO 缓冲，并且可以结合 DMA（直接存储器访问）实现大数据块的高速搬运，减少CPU负担。通过上述功能组合，ESP32 的 SPI 接口既适用于传感器等中低速外设，也能胜任显示屏、存储等大数据量高速场景。

2.SPI控制器架构

ESP32-S3 内部的 4 个 SPI 控制器架构如图所示
在这里插入图片描述
SPI0 和 SPI1 控制器共享一套外部总线信号（称作 SPI 主存储总线，包括 D/Q 数据线、CS0CS2 片选、CLK 时钟、WP/HD 辅助线等），通过硬件仲裁器实现对外部 Flash/PSRAM 的访问（SPI0 常用于缓存操作，SPI1 用于向 Flash 写入等）。由于这两路总线承载着程序存储器，IDF 驱动并不支持用户直接操作 SPI0/1 控制器。SPI2 和 SPI3 控制器则拥有各自独立的通用信号总线（通常也称 HSPI 和 VSPI），可自由映射到支持输出的任意 GPIO。

在 ESP32-S3 中，SPI2 控制器提供6 条片选线（CS0-CS5），SPI3 提供3 条片选线（CS0-CS2），意味着单个 SPI 主机最多可挂载 6 个或 3 个从设备。硬件会根据片选自动控制总线占用，实现多设备的时分复用。此外，SPI1～SPI3 控制器共用两个 DMA 通道资源：当启用 DMA 传输时，硬件可在这两个 DMA 信道上调度数据搬运，从而实现高吞吐的连续读写。

每个 SPI 控制器内部包含发送/接收 FIFO（深度为 64 字节）、时钟分频器、模式控制逻辑等模块。在主模式下，ESP32-S3 的 SPI 控制器通过配置寄存器即可自动完成从拉低 CS、发送指令/地址、读写数据，到释放 CS 的整个事务序列，期间支持硬件插入空周期以及精确的时序控制。ESP32 的 SPI 硬件架构为多主多从、高速大数据传输提供了灵活且强大的支撑。

3.SPI通信模式

SPI 通信由主设备产生时钟并发起传输。ESP32 的 SPI 主控模式下支持 4 种时序模式（Mode0/1/2/3），分别对应时钟空闲电平和数据采样时机的不同组合：(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。这些模式可以通过设备配置的 mode 参数来设置，以匹配不同 SPI 从设备的时序要求。
GP-SPI 功能块图：
在这里插入图片描述
数据线方面，默认 SPI 使用 MISO 和 MOSI 两根数据线实现全双工通信——在一个时钟周期内，主机从 MOSI 发送1比特的同时，也从 MISO 接收1比特。如果外设不需要同时发送数据，或硬件只有单数据引脚，可以将 SPI 配置为 半双工模式，此时主机可以使用同一引脚（连接在 SPI 的 MOSI 引脚上）分时发送和接收数据，即经典“三线 SPI”接口（CLK、DATA、CS）。

开启半双工模式的方法是在设备配置的标志位中设置 SPI_DEVICE_HALFDUPLEX（IDF 会自动管理数据线方向）。除了标准的单比特串行，ESP32 的 GP-SPI 控制器还支持多路并行模式：例如 Dual SPI（双线）和 Quad SPI（四线）模式。在这些模式下，主机将同时使用 2 个或 4 个数据引脚进行并行传输，大幅提高有效带宽。这通常用于与支持多I/O模式的存储芯片或显示屏通信。要使用并行模式，需要硬件上将 SPI 的 WP/HD 等引脚连接到从设备，并在驱动中启用相应的总线标志（如 SPICOMMON_BUSFLAG_DUAL/QUAD 等）以及在事务中设置 SPI_TRANS_MODE_DIO/QIO 标志。

并行模式通常意味着通信只能半双工进行（因为数据线被复用为输出），因此驱动要求在多线模式下设备标志需包含 SPI_DEVICE_HALFDUPLEX。在大多数应用中，标准 4 线 SPI 已能满足需求，而当追求极致速度时，可考虑使用并行模式并合理调整时序以确保可靠性。

4.SPI数据帧与事务

**SPI 的主从通信以事务为单位完成。**一次完整的 SPI 主机事务通常包括以下阶段：主机拉低 CS（片选）以选中目标从设备，然后依次发送命令码（可选，016位）、地址（可选，064位）、插入若干空等待周期（Dummy，满足从设备时序要求），接着进入数据传输阶段，包括发送数据（写阶段）和/或接收数据（读阶段），最后主机释放 CS 结束该事务。

这些阶段是否存在及长度，取决于设备配置和每次事务配置。例如，对某些存储器或显示屏操作，可能需要在正式数据之前发出命令或地址信息；而对一般传感器可能只需简单的读写数据而无额外命令。ESP-IDF 提供的 spi_device_interface_config_t 结构体中有专门的字段用于配置默认的命令位数和地址位数，以及每次事务可以按需调整的数据长度。在执行事务时，驱动会根据这些配置自动完成前序命令/地址的发送，然后进行数据阶段。
主机模式下数据流控制：
在这里插入图片描述
SPI 的读写可以同时发生：在全双工模式下，当主机发送每一比特时，从设备的输出比特会同步被采集，这样读阶段和写阶段实际上重叠进行，事务总时长取决于两者中较长的一个。如果不希望同时读写（例如从设备要求先发后收），可以使用半双工模式，在事务配置中分别指定发送数据长度和接收数据长度，驱动将按先发送后接收的顺序完成。对于不需要的读或写相位，可以将对应缓冲区指针设为 NULL，SPI 控制器将自动跳过该阶段。
从机模式下数据流控制：

在这里插入图片描述
总的来说，ESP32 SPI 通过硬件支持灵活的事务分段和自动片选控制，使复杂协议的实现更加简洁高效。

5.DMA与传输性能

当进行小数据量传输时（比如几字节），SPI 主机驱动可以直接通过 CPU 向硬件 FIFO 寄存器写入/读取数据完成通信；这种方式开销低、速度快。但是对于较大数据块（几十上百字节乃至数KB），频繁的中断和字节搬运会给 CPU 带来较大负担。

为此，ESP32-S3 的 SPI 控制器支持 DMA（直接内存访问）传输：通过给 spi_bus_initialize 提供 DMA通道参数，驱动将在发送/接收超过 FIFO 深度的数据时，自动启用 DMA 控制器将数据块搬运到 SPI FIFO。这使得单次事务可以发送非常长的数据（IDF 默认在 DMA 模式下单次传输可达约4092字节，理论上可调整受内存限制），同时将 CPU 从逐字节搬运中解放出来。ESP32-S3 的 SPI2 和 SPI3 控制器各自配备 DMA请求接口（共享2个 DMA信道），通过配置可分别占用一个 DMA通道实现并行数据传输。需要注意：如果选择使用 DMA，则发送/接收缓冲区必须放在可被DMA访问的内存区域（例如内部 SRAM，并避免使用cache映射的PSRAM），并且最好满足 4 字节对齐，以发挥DMA最大效率。
主机模式下 DAM 控制的分段配置传输：
在这里插入图片描述

IDF 中提供了 heap_caps_malloc等API用于分配DMA合规的内存，也可以使用 spi_bus_dma_memory_alloc 辅助分配函数。另外，为确保高速下数据稳定，驱动允许用户设置从设备的信号采样延迟或调整采样点位置。通常在低于8MHz时无需调整，而更高速率下根据线长、电平翻转等情况，适当的延时设置可以改善可靠性。引脚选择方面，SPI 若使用GPIO矩阵映射引脚，由于引入了约 2ns 的延迟，稳定工作的最高全双工频率约为 26MHz，半双工约 40MHz；若全部使用IO_MUX指定的原生引脚，则可支持全双工 40MHz、半双工 80MHz的速率，甚至更高（实际最大受限于时钟源及从设备性能）。

因此在设计高速 SPI 总线时，尽量选用芯片的硬件接口管脚并降低连线电容，以获取最佳信号质量和速度。总体而言，通过 DMA、高速引脚和合理的时序配置，ESP32的 SPI 主接口可在高吞吐与低CPU占用之间取得良好平衡，满足苛刻的数据传输需求。

6.中断与驱动事件

ESP-IDF 的 SPI 主机驱动对底层硬件中断和状态变化进行了封装，用户通常不需要直接处理 SPI 中断。驱动在后台利用中断检测事务完成、队列调度等事件，并提供了回调机制供用户在特定时机（传输前后）执行操作。

在主模式下，如果采用异步队列接口（spi_device_queue_trans），驱动会在每个事务完成时通过中断将结果放入内部队列，用户可以通过 spi_device_get_trans_result 等API等待或轮询完成事件。在设备配置结构中还可以指定 pre_cb 和 post_cb 回调函数，分别会在每次事务开始前和结束后被ISR调用，可用于控制引脚、电源管理等（注意需放置于IRAM以满足中断上下文要求）。

当多个任务共享同一 SPI 设备时，由于 SPI 驱动线程非安全（访问同一设备需串行化），一种方式是使用 spi_device_acquire_bus/release_bus 手动锁定总线；更简单的做法是保证每个 SPI设备仅由一个任务访问，或在应用层对共享访问加互斥锁。合理利用驱动提供的中断/队列机制，可以实现非阻塞的 SPI 通信和多设备的高效调度，充分发挥 SPI 总线的并发能力和数据吞吐。

二、SPI类型定义及相关API

需包含的公共头文件：#include “driver/spi_master.h”
SPI类型定义

// ==========================================================  
// SPI 主机编号类型  
// ==========================================================  
typedef int spi_host_device_t;          // SPI 主机控制器代号  
#define SPI1_HOST  (0)                 // SPI1（一般用于内部Flash，不开放）  
#define SPI2_HOST  (1)                 // SPI2（用户可用，一般默认HSPI）  
#define SPI3_HOST  (2)                 // SPI3（用户可用，一般默认VSPI）  
#define SPI_HOST_MAX  (3)  // SPI主机别名（兼容旧称呼）  
#define HSPI_HOST  SPI2_HOST  
#define VSPI_HOST  SPI3_HOST  // ==========================================================  
// SPI DMA通道选择  
// ==========================================================  
typedef enum {  SPI_DMA_DISABLED = 0,   // 不启用 DMA，将受限于 FIFO 长度  SPI_DMA_CH1      = 1,   // 使用 DMA通道1  SPI_DMA_CH2      = 2,   // 使用 DMA通道2  SPI_DMA_CH_AUTO  = 3    // 自动分配可用 DMA通道  
} spi_dma_chan_t;  // ==========================================================  
// SPI 总线初始化配置结构  
// ==========================================================  
typedef struct {  int mosi_io_num;         // MOSI 引脚编号（主出从入数据线），-1表示不使用  int miso_io_num;         // MISO 引脚编号（主入从出数据线），-1表示不使用  int sclk_io_num;         // SCLK 引脚编号（时钟线），-1表示不使用  int quadwp_io_num;       // WP 引脚编号（写保护，用于Quad模式），-1表示不使用  int quadhd_io_num;       // HD 引脚编号（保持，用于Quad模式），-1表示不使用  int data4_io_num;        // 数据线4（Octal模式），-1表示不使用  int data5_io_num;        // 数据线5（Octal模式），-1表示不使用  int data6_io_num;        // 数据线6（Octal模式），-1表示不使用  int data7_io_num;        // 数据线7（Octal模式），-1表示不使用  bool data_io_default_level;  // 空闲时数据线默认电平（输出使能时），一般为false  int max_transfer_sz;     // 单次最大传输字节数（DMA模式下默认4092字节，非DMA模式下默认为 SOC_SPI_MAXIMUM_BUFFER_SIZE）  uint32_t flags;          // 总线能力标志位（SPICOMMON_BUSFLAG_* 的组合，用于校验硬件能力）  esp_intr_cpu_affinity_t isr_cpu_id; // 中断分配到的CPU核心（默认不指定）  int intr_flags;          // 中断分配标志（ESP_INTR_FLAG_LEVELx/IRAM等，一般使用默认0或ESP_INTR_FLAG_IRAM）  
} spi_bus_config_t;  // ==========================================================  
// SPI 从设备接口配置结构（设备初始化时提供）  
// ==========================================================  
typedef struct {  uint8_t  command_bits;   // 命令阶段默认位宽（0~16位）  uint8_t  address_bits;   // 地址阶段默认位宽（0~64位）  uint8_t  dummy_bits;     // 地址阶段后插入的空等待时钟周期数  uint8_t  mode;           // SPI 模式(0~3，对应 (CPOL, CPHA))  // uint8_t  非预留字段 (占位，以4字节对齐)  uint16_t duty_cycle_pos; // 时钟正脉冲占空比(1~256，对应占空比百分比=该值/256，128=50%)  uint16_t cs_ena_pretrans;// 传输开始前 CS 提前拉低的时钟周期数(0~16)，半双工模式下有效  uint8_t  cs_ena_posttrans;// 传输结束后 CS 保持低电平的时钟周期数(0~16)  int      clock_speed_hz; // 时钟频率（Hz）  int      input_delay_ns; // 输入信号延迟(ns)补偿（从属设备数据准备时间，0表示不延迟）  // 新版clock_source和sample_point省略，使用默认APB时钟源  int      spics_io_num;   // 该设备使用的CS引脚（GPIO编号），-1表示不由驱动控制  uint32_t flags;          // 设备标志位（SPI_DEVICE_*，如 LSBFIRST/3WIRE/HALFDUPLEX 等）  int      queue_size;     // 事务队列长度（驱动可同时挂起的未完成事务数）  transaction_cb_t pre_cb; // 每次传输开始前的回调（中断内调用，需放IRAM）  transaction_cb_t post_cb;// 每次传输结束后的回调（中断内调用，需放IRAM）  
} spi_device_interface_config_t;  // SPI 设备标志位宏（部分常用列举）  
#define SPI_DEVICE_TXBIT_LSBFIRST   (1<<0)  // 发送数据使用LSB优先（默认MSB先）  
#define SPI_DEVICE_RXBIT_LSBFIRST   (1<<1)  // 接收数据使用LSB优先  
#define SPI_DEVICE_BIT_LSBFIRST     (SPI_DEVICE_TXBIT_LSBFIRST | SPI_DEVICE_RXBIT_LSBFIRST)  // 发送接收均LSB优先  
#define SPI_DEVICE_3WIRE            (1<<2)  // 启用3线模式（共用MOSI引脚收发，等效半双工）  
#define SPI_DEVICE_POSITIVE_CS      (1<<3)  // CS信号极性取反（默认低有效，设置此标志后为高有效）  
#define SPI_DEVICE_HALFDUPLEX       (1<<4)  // 半双工模式（发送完再接收，不同时进行）  
// ...（其他标志如 SPI_DEVICE_NO_DUMMY/SPI_DEVICE_CLK_AS_CS 等，可根据需要使用）  // ==========================================================  
// SPI 事务描述结构（每次传输参数）  
// ==========================================================  
typedef struct {  uint32_t flags;      // 事务标志（SPI_TRANS_*，如 VARIABLE_ADDR/CMD, CS_KEEP_ACTIVE 等）  uint16_t cmd;        // 本次事务使用的命令值（实际发送的位宽由 device 的 command_bits 定义）  uint64_t addr;       // 本次事务使用的地址值（实际发送位宽由 address_bits 定义）  size_t   length;     // 本次发送数据总长度（bit为单位）  size_t   rxlength;   // 本次接收数据长度（bit为单位，不大于length，全双工为0则默认为length）  void    *user;       // 用户自定义指针（可用来标识事务来源等）  const void *tx_buffer; // 发送数据缓冲区指针（若无发送则可为 NULL）  uint8_t tx_data[4];  // 短数据直接存放在此（设置 SPI_TRANS_USE_TXDATA 时启用）  void    *rx_buffer;  // 接收数据缓冲区指针（若不需要接收可为 NULL）  uint8_t rx_data[4];  // 短数据直接接收至此（设置 SPI_TRANS_USE_RXDATA 时启用）  
} spi_transaction_t;  // SPI 事务标志位（常用）  
#define SPI_TRANS_VARIABLE_CMD  (1<<0)  // 本次事务使用非常规长度的命令阶段（spi_transaction_ext_t 扩展）  
#define SPI_TRANS_VARIABLE_ADDR (1<<1)  // 使用非常规长度的地址阶段  
#define SPI_TRANS_USE_TXDATA    (1<<2)  // 使用 tx_data 中的数据而非缓冲区指针  
#define SPI_TRANS_USE_RXDATA    (1<<3)  // 接收数据直接存入 rx_data  
#define SPI_TRANS_CS_KEEP_ACTIVE (1<<4) // 事务结束后保持 CS 拉低（需配合后续事务或手动控制）  // SPI 设备句柄类型  
typedef struct spi_device_t *spi_device_handle_t;

SPI相关API

// ======================= SPI 总线控制 =======================  
/*** @brief  初始化 SPI 总线  ** @param host_id    SPI 主机端口号 (SPI2_HOST / SPI3_HOST)  * @param bus_config 指向总线配置结构体的指针  * @param dma_chan   DMA通道选择：*                   - SPI_DMA_DISABLED 不使用DMA（限制传输长度）  *                   - SPI_DMA_CHx 使用指定 DMA通道 (ESP32-S3 通常用 1 或 2)  *                   - SPI_DMA_CH_AUTO 由驱动自动分配可用 DMA通道  ** @note  SPI0/SPI1 为内部总线，驱动不支持初始化 (调用此函数会返回错误)。  *        调用成功后，即完成GPIO引脚矩阵配置、FIFO和中断初始化等。  *        如果指定了 DMA 通道，需确保后续使用的传输缓冲区在 DMA 可访问内存中。  * @return  *       - ESP_OK: 初始化成功  *       - ESP_ERR_INVALID_ARG: 参数非法  *       - ESP_ERR_NOT_FOUND: 无可用DMA通道（当请求AUTO时）  *       - ESP_ERR_INVALID_STATE: 指定主机已经初始化过  */  
esp_err_t spi_bus_initialize(spi_host_device_t host_id, const spi_bus_config_t *bus_config, spi_dma_chan_t dma_chan);  /*** @brief  释放 SPI 总线  ** @param host_id SPI 主机端口号  * @note  调用此函数前，需确保该总线上的所有设备已被移除 (spi_bus_remove_device)。  * @return  *       - ESP_OK: 释放成功  *       - ESP_ERR_INVALID_ARG: 参数非法  *       - ESP_ERR_INVALID_STATE: 总线未初始化 或 上面仍挂有未移除的设备  */  
esp_err_t spi_bus_free(spi_host_device_t host_id);  // ======================= SPI 设备控制 =======================  
/*** @brief  向 SPI 总线挂载一个从属设备  ** @param host_id   SPI 主机端口号 (SPI2_HOST / SPI3_HOST)  * @param dev_config 指向设备接口配置结构体的指针  * @param handle    输出：返回的设备句柄地址  ** @note  此函数会根据 dev_config 分配并初始化一个 SPI 从设备，*        包括为该设备分配一个 CS (片选) 引脚并通过 GPIO Matrix 连接。  *        ESP32-S3 的 SPI2 支持最多 6 个 CS，引脚编号通常为 CS0~CS5；SPI3 支持 3 个。  *        如果超出主机可用的 CS 插槽数量，将返回 ESP_ERR_NOT_FOUND 错误。  *        默认支持最高 40MHz (IO_MUX引脚) / 26MHz (GPIO矩阵) 的速度，全双工模式下矩阵引脚建议不超过 26MHz:contentReference[oaicite:15]{index=15}。  * @return  *       - ESP_OK: 设备添加成功  *       - ESP_ERR_INVALID_ARG: 参数非法（比如配置冲突）  *       - ESP_ERR_NOT_FOUND: 主机没有空余 CS 插槽可用  *       - ESP_ERR_NO_MEM: 内存分配失败  */  
esp_err_t spi_bus_add_device(spi_host_device_t host_id, const spi_device_interface_config_t *dev_config, spi_device_handle_t *handle);  /*** @brief  从 SPI 总线上移除一个从属设备  ** @param handle 要移除的设备句柄  * @return  *       - ESP_OK: 移除成功  *       - ESP_ERR_INVALID_ARG: 参数非法  *       - ESP_ERR_INVALID_STATE: 设备已被移除或未曾添加  ** @note 调用后该设备占用的CS引脚和资源将释放，可用于添加新设备 */  
esp_err_t spi_bus_remove_device(spi_device_handle_t handle);  // ======================= SPI 数据传输 =======================  
/*** @brief  阻塞方式发送一个 SPI 事务  ** @param handle      设备句柄（spi_bus_add_device取得）  * @param trans_desc  指向事务描述结构体的指针（需提前填充好发送/接收缓冲等）  * @return  *       - ESP_OK: 传输成功，数据已发送/接收完成  *       - ESP_ERR_INVALID_ARG: 参数非法（如 trans_desc 内容不合法）  ** @note  此函数相当于依次调用 spi_device_queue_trans() 和 spi_device_get_trans_result()，  *        内部会等待传输完成再返回。因此不应在已有挂起事务未完成时再次调用本函数。  *        默认情况下，同一设备上的串行调用是线程安全的，但若多个任务并发访问同一设备句柄，需要自行确保互斥。  */  
esp_err_t spi_device_transmit(spi_device_handle_t handle, spi_transaction_t *trans_desc);  /*** @brief  轮询方式发送 SPI 事务  ** @param handle      设备句柄  * @param trans_desc  事务描述结构指针  * @return ESP_OK 表示传输完成且成功  ** @note  本函数与 spi_device_transmit 类似，也会等待传输完成，但采用 “忙轮询” 方式驱动硬件而不使用中断。  *        这种方式适用于短小事务且对实时性要求高的场景，可避免中断调度的延迟。  *        调用前后无需 acquire_bus，但不同任务并发仍需注意互斥。  */  
esp_err_t spi_device_polling_transmit(spi_device_handle_t handle, spi_transaction_t *trans_desc);  /*** @brief  异步排队一个 SPI 事务（中断驱动）  ** @param handle      设备句柄  * @param trans_desc  事务描述结构指针  * @param ticks_to_wait 等待可用队列空间的超时时间（RTOS ticks，portMAX_DELAY 表示永不超时）  * @return  *       - ESP_OK: 事务已成功加入队列  *       - ESP_ERR_TIMEOUT: 在指定时间内队列无空闲，事务未加入  *       - ESP_ERR_NO_MEM: 内部申请DMA临时缓冲失败（极少见）  *       - ESP_ERR_INVALID_ARG: 参数非法，或指定了不支持的标志组合等  *       - ESP_ERR_INVALID_STATE: 前一个事务未完成（正常不会发生，因为队列有容量控制）  ** @note  将事务加入驱动队列后即立即返回，SPI硬件会通过中断在后台执行传输。  *        可以通过 spi_device_get_trans_result 获取完成的事务结果。  *        同一设备上的事务将按调用顺序依次执行；多个设备间则由驱动自动仲裁总线。  */  
esp_err_t spi_device_queue_trans(spi_device_handle_t handle, spi_transaction_t *trans_desc, TickType_t ticks_to_wait);  /*** @brief  获取一个已完成的 SPI 异步事务结果  ** @param handle       设备句柄  * @param trans_desc   输出：指向完成的事务描述指针的存放地址  * @param ticks_to_wait 最长等待时间（RTOS ticks）  * @return  *       - ESP_OK: 成功获取到已完成的事务  *       - ESP_ERR_INVALID_ARG: 参数非法  *       - ESP_ERR_TIMEOUT: 在指定时间内没有事务完成  ** @note  本函数用于与 spi_device_queue_trans 配合，实现异步传输的结果获取。  *        如果在队列中尚有未完成的事务，本函数会等待直至有事务完成或超时。  *        获得结果后，可检查 trans_desc->rx_buffer 中的数据或其他标志，并且可以重复利用或释放该事务结构。  */  
esp_err_t spi_device_get_trans_result(spi_device_handle_t handle, spi_transaction_t **trans_desc, TickType_t ticks_to_wait);  /*** @brief 手动占用 SPI 总线以独占访问  ** @param handle 设备句柄  * @param ticks_to_wait 等待总线可用的时间  * @return ESP_OK 表示成功占用总线  ** @note 调用此函数后，其他设备的事务将被暂挂，直到调用 spi_device_release_bus 释放总线。  *       适用于需连续执行一组事务且中间不插入其他设备通信的场景。  *       使用完毕后务必调用 release_bus 释放，否则会阻塞低优先级任务的SPI通信。  */  
esp_err_t spi_device_acquire_bus(spi_device_handle_t handle, TickType_t ticks_to_wait);  /*** @brief 释放通过 spi_device_acquire_bus 占用的 SPI 总线  ** @param handle 设备句柄  */  
esp_err_t spi_device_release_bus(spi_device_handle_t handle);

三、SPI示例程序

在 ESP32S3 上通过SPI驱动 LCD 屏幕显示图片
main.c

#include <stdio.h>
#include "lcd.h"
#include "yingwu.h"void app_main(void)
{bsp_i2c_init();pca9557_init();bsp_lcd_init(); // 液晶屏初始化lcd_draw_pictrue(0, 0, 320, 240, gImage_yingwu); // 显示3只鹦鹉图片while(1){}
}

lcd.c

#include "lcd.h"static const char *TAG = "BSP";esp_err_t bsp_i2c_init(void)
{i2c_config_t i2c_conf = {.mode = I2C_MODE_MASTER,.sda_io_num = BSP_I2C_SDA,.sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,.scl_io_num = BSP_I2C_SCL,.scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,.master.clk_speed = BSP_I2C_FREQ_HZ};i2c_param_config(BSP_I2C_NUM, &i2c_conf);return i2c_driver_install(BSP_I2C_NUM, i2c_conf.mode, 0, 0, 0);
}// 读取PCA9557寄存器的值
esp_err_t pca9557_register_read(uint8_t reg_addr, uint8_t *data, size_t len)
{return i2c_master_write_read_device(BSP_I2C_NUM, PCA9557_SENSOR_ADDR, &reg_addr, 1, data, len, 1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}// 给PCA9557的寄存器写值
esp_err_t pca9557_register_write_byte(uint8_t reg_addr, uint8_t data)
{uint8_t write_buf[2] = {reg_addr, data};return i2c_master_write_to_device(BSP_I2C_NUM, PCA9557_SENSOR_ADDR, write_buf, sizeof(write_buf), 1000 / portTICK_PERIOD_MS);
}// 初始化PCA9557 IO扩展芯片
void pca9557_init(void)
{// 写入控制引脚默认值 DVP_PWDN=1  PA_EN = 0  LCD_CS = 1pca9557_register_write_byte(PCA9557_OUTPUT_PORT, 0x05);// 把PCA9557芯片的IO1 IO1 IO2设置为输出 其它引脚保持默认的输入pca9557_register_write_byte(PCA9557_CONFIGURATION_PORT, 0xf8);
}// 设置PCA9557芯片的某个IO引脚输出高低电平
esp_err_t pca9557_set_output_state(uint8_t gpio_bit, uint8_t level)
{uint8_t data;esp_err_t res = ESP_FAIL;pca9557_register_read(PCA9557_OUTPUT_PORT, &data, 1);res = pca9557_register_write_byte(PCA9557_OUTPUT_PORT, SET_BITS(data, gpio_bit, level));return res;
}// 控制 PCA9557_LCD_CS 引脚输出高低电平 参数0输出低电平 参数1输出高电平
void lcd_cs(uint8_t level)
{pca9557_set_output_state(LCD_CS_GPIO, level);
}// 背光PWM初始化
esp_err_t bsp_display_brightness_init(void)
{// Setup LEDC peripheral for PWM backlight controlconst ledc_channel_config_t LCD_backlight_channel = {.gpio_num = BSP_LCD_BACKLIGHT,.speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,.channel = LCD_LEDC_CH,.intr_type = LEDC_INTR_DISABLE,.timer_sel = 0,.duty = 0,.hpoint = 0,.flags.output_invert = true};const ledc_timer_config_t LCD_backlight_timer = {.speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,.duty_resolution = LEDC_TIMER_10_BIT,.timer_num = 0,.freq_hz = 5000,.clk_cfg = LEDC_AUTO_CLK};ESP_ERROR_CHECK(ledc_timer_config(&LCD_backlight_timer));ESP_ERROR_CHECK(ledc_channel_config(&LCD_backlight_channel));return ESP_OK;
}// 定义液晶屏句柄
static esp_lcd_panel_handle_t panel_handle = NULL;
esp_lcd_panel_io_handle_t io_handle = NULL;// 设置液晶屏颜色
void lcd_set_color(uint16_t color)
{// 分配内存 这里分配了液晶屏一行数据需要的大小uint16_t *buffer = (uint16_t *)heap_caps_malloc(BSP_LCD_H_RES * sizeof(uint16_t), MALLOC_CAP_8BIT | MALLOC_CAP_SPIRAM);if (NULL == buffer){ESP_LOGE(TAG, "Memory for bitmap is not enough");}else{for (size_t i = 0; i < BSP_LCD_H_RES; i++) // 给缓存中放入颜色数据{buffer[i] = color;}for (int y = 0; y < 240; y++) // 显示整屏颜色{esp_lcd_panel_draw_bitmap(panel_handle, 0, y, 320, y + 1, buffer);}free(buffer); // 释放内存}
}// 背光亮度设置
esp_err_t bsp_display_brightness_set(int brightness_percent)
{if (brightness_percent > 100){brightness_percent = 100;}else if (brightness_percent < 0){brightness_percent = 0;}ESP_LOGI(TAG, "Setting LCD backlight: %d%%", brightness_percent);// LEDC resolution set to 10bits, thus: 100% = 1023uint32_t duty_cycle = (1023 * brightness_percent) / 100;ESP_ERROR_CHECK(ledc_set_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LCD_LEDC_CH, duty_cycle));ESP_ERROR_CHECK(ledc_update_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LCD_LEDC_CH));return ESP_OK;
}// 关闭背光
esp_err_t bsp_display_backlight_off(void)
{return bsp_display_brightness_set(0);
}// 打开背光 最亮
esp_err_t bsp_display_backlight_on(void)
{return bsp_display_brightness_set(100);
}// 液晶屏初始化
esp_err_t bsp_display_new(void)
{esp_err_t ret = ESP_OK;// 背光初始化ESP_RETURN_ON_ERROR(bsp_display_brightness_init(), TAG, "Brightness init failed");// 初始化SPI总线ESP_LOGD(TAG, "Initialize SPI bus");const spi_bus_config_t buscfg = {.sclk_io_num = BSP_LCD_SPI_CLK,.mosi_io_num = BSP_LCD_SPI_MOSI,.miso_io_num = GPIO_NUM_NC,.quadwp_io_num = GPIO_NUM_NC,.quadhd_io_num = GPIO_NUM_NC,.max_transfer_sz = BSP_LCD_H_RES * BSP_LCD_V_RES * sizeof(uint16_t),};ESP_RETURN_ON_ERROR(spi_bus_initialize(BSP_LCD_SPI_NUM, &buscfg, SPI_DMA_CH_AUTO), TAG, "SPI init failed");// 液晶屏控制IO初始化ESP_LOGD(TAG, "Install panel IO");const esp_lcd_panel_io_spi_config_t io_config = {.dc_gpio_num = BSP_LCD_DC,.cs_gpio_num = BSP_LCD_SPI_CS,.pclk_hz = BSP_LCD_PIXEL_CLOCK_HZ,.lcd_cmd_bits = LCD_CMD_BITS,.lcd_param_bits = LCD_PARAM_BITS,.spi_mode = 2,.trans_queue_depth = 10,};ESP_GOTO_ON_ERROR(esp_lcd_new_panel_io_spi((esp_lcd_spi_bus_handle_t)BSP_LCD_SPI_NUM, &io_config, &io_handle), err, TAG, "New panel IO failed");// 初始化液晶屏驱动芯片ST7789ESP_LOGD(TAG, "Install LCD driver");const esp_lcd_panel_dev_config_t panel_config = {.reset_gpio_num = BSP_LCD_RST,.rgb_ele_order = LCD_RGB_ELEMENT_ORDER_RGB,.bits_per_pixel = BSP_LCD_BITS_PER_PIXEL,};ESP_GOTO_ON_ERROR(esp_lcd_new_panel_st7789(io_handle, &panel_config, &panel_handle), err, TAG, "New panel failed");esp_lcd_panel_reset(panel_handle);               // 液晶屏复位lcd_cs(0);                                       // 拉低CS引脚esp_lcd_panel_init(panel_handle);                // 初始化配置寄存器esp_lcd_panel_invert_color(panel_handle, true);  // 颜色反转esp_lcd_panel_swap_xy(panel_handle, true);       // 显示翻转esp_lcd_panel_mirror(panel_handle, true, false); // 镜像return ret;err:if (panel_handle){esp_lcd_panel_del(panel_handle);}if (io_handle){esp_lcd_panel_io_del(io_handle);}spi_bus_free(BSP_LCD_SPI_NUM);return ret;
}// LCD显示初始化
esp_err_t bsp_lcd_init(void)
{esp_err_t ret = ESP_OK;ret = bsp_display_new();                             // 液晶屏驱动初始化lcd_set_color(0x0000);                               // 设置整屏背景黑色ret = esp_lcd_panel_disp_on_off(panel_handle, true); // 打开液晶屏显示ret = bsp_display_backlight_on();                    // 打开背光显示return ret;
}// 显示图片
void lcd_draw_pictrue(int x_start, int y_start, int x_end, int y_end, const unsigned char *gImage)
{// 分配内存 分配了需要的字节大小 且指定在外部SPIRAM中分配size_t pixels_byte_size = (x_end - x_start) * (y_end - y_start) * 2;uint16_t *pixels = (uint16_t *)heap_caps_malloc(pixels_byte_size, MALLOC_CAP_8BIT | MALLOC_CAP_SPIRAM);if (NULL == pixels){ESP_LOGE(TAG, "Memory for bitmap is not enough");return;}memcpy(pixels, gImage, pixels_byte_size);                                                    // 把图片数据拷贝到内存esp_lcd_panel_draw_bitmap(panel_handle, x_start, y_start, x_end, y_end, (uint16_t *)pixels); // 显示整张图片数据heap_caps_free(pixels);                                                                      // 释放内存
}

lcd.h

#ifndef LCD_H
#define LCD_H#include "driver/gpio.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_lcd_types.h"
#include "esp_lcd_panel_io.h"
#include "esp_lcd_panel_vendor.h"
#include "esp_lcd_panel_ops.h"
#include "driver/ledc.h"
#include "driver/spi_master.h"
#include "esp_err.h"
#include "esp_log.h"
#include "esp_check.h"
#include "driver/i2c.h"
#include <string.h>#define SET_BITS(_m, _s, _v) ((_v) ? (_m) | ((_s)) : (_m) & ~((_s)))#define BSP_I2C_SDA (GPIO_NUM_1) // SDA引脚
#define BSP_I2C_SCL (GPIO_NUM_2) // SCL引脚
#define BSP_I2C_NUM (0)          // I2C外设
#define BSP_I2C_FREQ_HZ 100000   // 100kHz#define PCA9557_INPUT_PORT 0x00
#define PCA9557_OUTPUT_PORT 0x01
#define PCA9557_POLARITY_INVERSION_PORT 0x02
#define PCA9557_CONFIGURATION_PORT 0x03
#define PCA9557_SENSOR_ADDR 0x19 /*!< Slave address of the MPU9250 sensor */
#define LCD_CS_GPIO BIT(0)       // PCA9557_GPIO_NUM_1
#define PA_EN_GPIO BIT(1)        // PCA9557_GPIO_NUM_2
#define DVP_PWDN_GPIO BIT(2)     // PCA9557_GPIO_NUM_3#define BSP_LCD_PIXEL_CLOCK_HZ (80 * 1000 * 1000)
#define BSP_LCD_SPI_NUM (SPI3_HOST)
#define LCD_CMD_BITS (8)
#define LCD_PARAM_BITS (8)
#define BSP_LCD_BITS_PER_PIXEL (16)
#define LCD_LEDC_CH LEDC_CHANNEL_0#define BSP_LCD_H_RES (320)
#define BSP_LCD_V_RES (240)#define BSP_LCD_SPI_MOSI (GPIO_NUM_40)
#define BSP_LCD_SPI_CLK (GPIO_NUM_41)
#define BSP_LCD_SPI_CS (GPIO_NUM_NC)
#define BSP_LCD_DC (GPIO_NUM_39)
#define BSP_LCD_RST (GPIO_NUM_NC)
#define BSP_LCD_BACKLIGHT (GPIO_NUM_42)// 函数声明
esp_err_t bsp_i2c_init(void);
esp_err_t pca9557_register_read(uint8_t reg_addr, uint8_t *data, size_t len);
esp_err_t pca9557_register_write_byte(uint8_t reg_addr, uint8_t data);
void pca9557_init(void);
esp_err_t bsp_lcd_init(void);
esp_err_t bsp_display_brightness_init(void);
esp_err_t bsp_display_new(void);
void lcd_draw_pictrue(int x_start, int y_start, int x_end, int y_end, const unsigned char *gImage);#endif // !LCD_H

总结

本文围绕 ESP32 的 SPI 外设，从硬件资源、通信机制到软件接口进行了全面的介绍。在实际应用中，开发者可根据需求选择合适的传输方式：对于少量数据的即时通信，可直接使用阻塞发送；对于大量数据或需要并发处理的场景，可采用 DMA 加中断队列的异步方式以降低 CPU 占用。在后续的项目中，开发者可以依据本文提供的知识框架，快速上手 SPI 编程并针对性能瓶颈进行优化，从而充分发挥 ESP32 SPI 外设的强大能力。