原來SPI并沒有想的那么簡(jiǎn)單

先說串口之前寫過一篇UART，通用串行異步通訊協(xié)議，感興趣可以參考一下《我打賭！你還不會(huì)UART》；因?yàn)閁ART沒有時(shí)鐘信號(hào)，無法控制何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，也無法保證雙發(fā)按照完全相同的速度接收數(shù)據(jù)。因此，雙方以不同的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，就會(huì)出現(xiàn)問題。

如果要解決這個(gè)問題，UART為每個(gè)字節(jié)添加額外的起始位和停止位，以幫助接收器在數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)進(jìn)行同步；

雙方還必須事先就傳輸速度達(dá)成共識(shí)（設(shè)置相同的波特率，例如每秒9600位）。

傳輸速率如果有微小差異不是問題，因?yàn)榻邮掌鲿?huì)在每個(gè)字節(jié)的開頭重新同步。相應(yīng)的協(xié)議如下圖所示；

串口傳輸?shù)倪^程

如果您注意到上圖中的11001010不等于0x53，這是一個(gè)細(xì)節(jié)。串口協(xié)議通常會(huì)首先發(fā)送最低有效位，因此最小位在最左邊LSB。低四位字節(jié)實(shí)際上是0011 = 0x3，高四位字節(jié)是0101 = 0x5。

異步串行工作得很好，但是在每個(gè)字節(jié)發(fā)送的時(shí)候都需要額外的起始位和停止位以及在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所需的復(fù)雜硬件方面都有很多開銷。

不難發(fā)現(xiàn)，如果接收端和發(fā)送端設(shè)置的速度都不一致，那么接收到的數(shù)據(jù)將是垃圾（亂碼）。

下面開始講一下SPI協(xié)議，會(huì)有哪些優(yōu)點(diǎn)。

SPI通訊協(xié)議于是我們想有沒有更好一點(diǎn)的串行通訊方式；相比較于UART，SPI的工作方式略有不同。

SPI是一個(gè)同步的數(shù)據(jù)總線，也就是說它是用單獨(dú)的數(shù)據(jù)線和一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)來保證發(fā)送端和接收端的完美同步。

時(shí)鐘是一個(gè)振蕩信號(hào)，它告訴接收端在確切的時(shí)機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)線上的信號(hào)進(jìn)行采樣。

產(chǎn)生時(shí)鐘的一側(cè)稱為主機(jī)，另一側(cè)稱為從機(jī)。總是只有一個(gè)主機(jī)（一般來說可以是微控制器/MCU），但是可以有多個(gè)從機(jī)（后面詳細(xì)介紹）；

數(shù)據(jù)的采集時(shí)機(jī)可能是時(shí)鐘信號(hào)的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低）。

具體要看對(duì)SPI的配置；

整體的傳輸大概可以分為以下幾個(gè)過程：

主機(jī)先將NSS信號(hào)拉低，這樣保證開始接收數(shù)據(jù)；

當(dāng)接收端檢測(cè)到時(shí)鐘的邊沿信號(hào)時(shí)，它將立即讀取數(shù)據(jù)線上的信號(hào)，這樣就得到了一位數(shù)據(jù)（1bit）;

由于時(shí)鐘是隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送的，因此指定數(shù)據(jù)的傳輸速度并不重要，盡管設(shè)備將具有可以運(yùn)行的最高速度（稍后我們將討論選擇合適的時(shí)鐘邊沿和速度）。

主機(jī)發(fā)送到從機(jī)時(shí)：主機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)，然后數(shù)據(jù)一位一位地將從MOSI信號(hào)線上進(jìn)行發(fā)送到從機(jī)；

主機(jī)接收從機(jī)數(shù)據(jù)：如果從機(jī)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)，則主機(jī)將繼續(xù)生成預(yù)定數(shù)量的時(shí)鐘信號(hào)，并且從機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)通過MISO信號(hào)線發(fā)送；

具體如下圖所示；

SPI的時(shí)序

注意，SPI是“全雙工”（具有單獨(dú)的發(fā)送和接收線路），因此可以在同一時(shí)間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，另外SPI的接收硬件可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器。這比異步串行通信所需的完整UART要簡(jiǎn)單得多，并且更加便宜；

SPI特性SPI總線包括4條邏輯線，定義如下：

MISO：Master input slave output 主機(jī)輸入，從機(jī)輸出（數(shù)據(jù)來自從機(jī)）；

MOSI：Master output slave input 主機(jī)輸出，從機(jī)輸入（數(shù)據(jù)來自主機(jī)）；

SCLK ：Serial Clock 串行時(shí)鐘信號(hào)，由主機(jī)產(chǎn)生發(fā)送給從機(jī)；

SS：Slave Select 片選信號(hào)，由主機(jī)發(fā)送，以控制與哪個(gè)從機(jī)通信，通常是低電平有效信號(hào)。

其他制造商可能會(huì)遵循其他命名規(guī)則，但是最終他們指的相同的含義。以下是一些常用術(shù)語；

MISO也可以是SIMO，DOUT，DO，SDO或SO（在主機(jī)端）;

MOSI也可以是SOMI，DIN，DI，SDI或SI（在主機(jī)端）;

NSS也可以是CE，CS或SSEL;

SCLK也可以是SCK;

本文將按照以下命名進(jìn)行講解［MISO， MOSI， SCK，NSS］

下圖顯示了單個(gè)主機(jī)和單個(gè)從機(jī)之間的典型SPI連接。

主從連接

時(shí)鐘頻率SPI總線上的主機(jī)必須在通信開始時(shí)候配置并生成相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)。在每個(gè)SPI時(shí)鐘周期內(nèi)，都會(huì)發(fā)生全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

主機(jī)在MOSI線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，從機(jī)讀取它，而從機(jī)在MISO線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，主機(jī)讀取它。

就算只進(jìn)行單向的數(shù)據(jù)傳輸，也要保持這樣的順序。這就意味著無論接收任何數(shù)據(jù)，必須實(shí)際發(fā)送一些東西！在這種情況下，我們稱其為虛擬數(shù)據(jù)；

從理論上講，只要實(shí)際可行，時(shí)鐘速率就可以是您想要的任何速率，當(dāng)然這個(gè)速率受限于每個(gè)系統(tǒng)能提供多大的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，以及最大的SPI傳輸速率。

時(shí)鐘極性 CKP/Clock Polarity除了配置串行時(shí)鐘速率（頻率）外，SPI主設(shè)備還需要配置時(shí)鐘極性。

根據(jù)硬件制造商的命名規(guī)則不同，時(shí)鐘極性通常寫為CKP或CPOL。時(shí)鐘極性和相位共同決定讀取數(shù)據(jù)的方式，比如信號(hào)上升沿讀取數(shù)據(jù)還是信號(hào)下降沿讀取數(shù)據(jù)；

CKP可以配置為1或0。這意味著您可以根據(jù)需要將時(shí)鐘的默認(rèn)狀態(tài)（IDLE）設(shè)置為高或低。極性反轉(zhuǎn)可以通過簡(jiǎn)單的邏輯逆變器實(shí)現(xiàn)。您必須參考設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊(cè)才能正確設(shè)置CKP和CKE。

CKP = 0：時(shí)鐘空閑 IDLE為低電平 0；

CKP = 1：時(shí)鐘空閑 IDLE為高電平 1；

時(shí)鐘相位 CKE /Clock Phase （Edge）除配置串行時(shí)鐘速率和極性外，SPI主設(shè)備還應(yīng)配置時(shí)鐘相位（或邊沿）。根據(jù)硬件制造商的不同，時(shí)鐘相位通常寫為CKE或CPHA；

顧名思義，時(shí)鐘相位/邊沿，也就是采集數(shù)據(jù)時(shí)是在時(shí)鐘信號(hào)的具體相位或者邊沿；

CKE = 0：在時(shí)鐘信號(hào) SCK的第一個(gè)跳變沿采樣；

CKE = 1：在時(shí)鐘信號(hào) SCK的第二個(gè)跳變沿采樣；

時(shí)鐘配置總結(jié)綜上幾種情況，下圖總結(jié)了所有時(shí)鐘配置組合，并突出顯示了實(shí)際采樣數(shù)據(jù)的時(shí)刻；

其中黑色線為采樣數(shù)據(jù)的時(shí)刻；

藍(lán)色線為SCK時(shí)鐘信號(hào)；

具體如下圖所示；

模式編號(hào)SPI的時(shí)鐘極性和相位的配置通常稱為 SPI模式，所有可能的模式都遵循以下約定；具體如下表所示；

SPI ModeCPOLCPHA

0 ［00］00

1 ［01］01

2 ［10］10

3 ［11］11

除此之外，我們還應(yīng)該仔細(xì)檢查微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)中包含的模式表，以確保一切正常。

多從機(jī)模式前面說到SPI總線必須有一個(gè)主機(jī)，可以有多個(gè)從機(jī)，那么具體連接到SPI總線的方法有以下兩種：

第一種方法：多NSS

通常，每個(gè)從機(jī)都需要一條單獨(dú)的SS線。

如果要和特定的從機(jī)進(jìn)行通訊，可以將相應(yīng)的 NSS信號(hào)線拉低，并保持其他 NSS信號(hào)線的狀態(tài)為高電平；如果同時(shí)將兩個(gè) NSS信號(hào)線拉低，則可能會(huì)出現(xiàn)亂碼，因?yàn)閺臋C(jī)可能都試圖在同一條 MISO線上傳輸數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)亂碼。

具體連接方式如下圖所示；

多NSS連接

第二種方法：菊花鏈

在數(shù)字通信世界中，在設(shè)備信號(hào)（總線信號(hào)或中斷信號(hào)）以串行的方式從一 個(gè)設(shè)備依次傳到下一個(gè)設(shè)備，不斷循環(huán)直到數(shù)據(jù)到達(dá)目標(biāo)設(shè)備的方式被稱為菊花鏈。

菊花鏈的最大缺點(diǎn)是因?yàn)槭切盘?hào)串行傳輸，所以一旦數(shù)據(jù)鏈路中的某設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)候，它下面優(yōu)先級(jí)較低的設(shè)備就不可能得到服務(wù)了；

另一方面，距離主機(jī)越遠(yuǎn)的從機(jī)，獲得服務(wù)的優(yōu)先級(jí)越低，所以需要安排好從機(jī)的優(yōu)先級(jí)，并且設(shè)置總線檢測(cè)器，如果某個(gè)從機(jī)超時(shí)，則對(duì)該從機(jī)進(jìn)行短路，防止單個(gè)從機(jī)損壞造成整個(gè)鏈路崩潰的情況；

具體的連接如下圖所示；

菊花鏈連接

其中紅線加粗為數(shù)據(jù)的流向；

所以最終的數(shù)據(jù)流向圖可以表示為：

數(shù)據(jù)流圖

SCK為時(shí)鐘信號(hào)，8clks表示8個(gè)邊沿信號(hào)；

其中D為數(shù)據(jù)，X為無效數(shù)據(jù)；

所以不難發(fā)現(xiàn)，菊花鏈模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整個(gè)鏈充當(dāng)通信移位寄存器，每個(gè)從機(jī)在下一個(gè)時(shí)鐘周期將輸入數(shù)據(jù)復(fù)制到輸出。

優(yōu)缺點(diǎn)SPI通訊的優(yōu)勢(shì)使SPI作為串行通信接口脫穎而出的原因很多；

全雙工串行通信；

高速數(shù)據(jù)傳輸速率。

簡(jiǎn)單的軟件配置；

極其靈活的數(shù)據(jù)傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字；

非常簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)。從站不需要唯一地址（與I2C不同）。從機(jī)使用主機(jī)時(shí)鐘，不需要精密時(shí)鐘振蕩器/晶振（與UART不同）。不需要收發(fā)器（與CAN不同）。

SPI的缺點(diǎn)沒有硬件從機(jī)應(yīng)答信號(hào)（主機(jī)可能在不知情的情況下無處發(fā)送）；

通常僅支持一個(gè)主設(shè)備；

需要更多的引腳（與I2C不同）；

沒有定義硬件級(jí)別的錯(cuò)誤檢查協(xié)議；

與RS-232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離；

編程實(shí)現(xiàn)下面是通過STM32的cubemx自動(dòng)生成的HAL庫代碼，比較簡(jiǎn)單，截取了其中一部分，具體如下；

static void MX_SPI1_Init（void）{ hspi1.Instance = SPI1; hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; //主機(jī)模式 hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; //全雙工 hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; //數(shù)據(jù)位為8位 hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; //CPOL=0 hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; //CPHA為數(shù)據(jù)線的第一個(gè)變化沿 hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; //軟件控制NSS hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;//2分頻，32M/2=16MHz hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; //最高位先發(fā)送 hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; //TIMODE模式關(guān)閉 hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//CRC關(guān)閉 hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; //默認(rèn)值，無效 if （HAL_SPI_Init（&hspi1） ！= HAL_OK） //初始化 { _Error_Handler（__FILE__， __LINE__）; }} //發(fā)送數(shù)據(jù)HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit（SPI_HandleTypeDef *hspi， uint8_t *pData， uint16_t Size， uint32_t Timeout）;//接收數(shù)據(jù)HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive（SPI_HandleTypeDef *hspi， uint8_t *pData， uint16_t Size， uint32_t Timeout）;

責(zé)任編輯：haq