SPI原理詳解

什么是SPI

????SPI 是英語Serial Peripheral interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。是Motorola(摩托羅拉)首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。

????SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，主要應(yīng)用在 EEPROM，F(xiàn)LASH，實時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。

SPI主從模式

????SPI分為主、從兩種模式，一個SPI通訊系統(tǒng)需要包含一個（且只能是一個）主設(shè)備，一個或多個從設(shè)備。提供時鐘的為主設(shè)備（Master），接收時鐘的設(shè)備為從設(shè)備（Slave），SPI接口的讀寫操作，都是由主設(shè)備發(fā)起。當(dāng)存在多個從設(shè)備時，通過各自的片選信號進行管理。

????SPI是全雙工且SPI沒有定義速度限制，一般的實現(xiàn)通常能達到甚至超過10 Mbps

SPI信號線

????SPI接口一般使用四條信號線通信：

????SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。

????MISO：主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳。該引腳在從模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在主模式下接收數(shù)據(jù)。

????MOSI：主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳。該引腳在主模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在從模式下接收數(shù)據(jù)。

????SCLK：串行時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生。

????CS/SS：從設(shè)備片選信號，由主設(shè)備控制。它的功能是用來作為“片選引腳”，也就是選擇指定的從設(shè)備，讓主設(shè)備可以單獨地與特定從設(shè)備通訊，避免數(shù)據(jù)線上的沖突。

????硬件上為4根線。

SPI一對一

SPI一對多

SPI設(shè)備選擇

????SPI是［單主設(shè)備（ single-master ）］通信協(xié)議，這意味著總線中的只有一支中心設(shè)備能發(fā)起通信。當(dāng)SPI主設(shè)備想讀/寫［從設(shè)備］時，它首先拉低［從設(shè)備］對應(yīng)的SS線（SS是低電平有效），接著開始發(fā)送工作脈沖到時鐘線上，在相應(yīng)的脈沖時間上，［主設(shè)備］把信號發(fā)到MOSI實現(xiàn)“寫”，同時可對MISO采樣而實現(xiàn)“讀”，如下圖：

SPI數(shù)據(jù)發(fā)送接收

????SPI主機和從機都有一個串行移位寄存器，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。

????首先拉低對應(yīng)SS信號線，表示與該設(shè)備進行通信

????主機通過發(fā)送SCLK時鐘信號，來告訴從機寫數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)

????這里要注意，SCLK時鐘信號可能是低電平有效，也可能是高電平有效，因為SPI有四種模式，這個我們在下面會介紹

????主機(Master)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)(Menory)，緩存區(qū)經(jīng)過移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通過MOSI信號線將字節(jié)一位一位的移出去傳送給從機，，同時MISO接口接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過移位寄存器一位一位的移到接收緩存區(qū)。

????從機(Slave)也將自己的串行移位寄存器(0~7)中的內(nèi)容通過MISO信號線返回給主機。同時通過MOSI信號線接收主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣，兩個移位寄存器中的內(nèi)容就被交換。

????SPI只有主模式和從模式之分，沒有讀和寫的說法，外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。如果只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機要讀取從機的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。也就是說，你發(fā)一個數(shù)據(jù)必然會收到一個數(shù)據(jù)；你要收一個數(shù)據(jù)必須也要先發(fā)一個數(shù)據(jù)。

SPI通信的四種模式

????SPI的四種模式，簡單地講就是設(shè)置SCLK時鐘信號線的那種信號為有效信號

????SPI通信有4種不同的操作模式，不同的從設(shè)備可能在出廠是就是配置為某種模式，這是不能改變的；但我們的通信雙方必須是工作在同一模式下，所以我們可以對我們的主設(shè)備的SPI模式進行配置，通過CPOL（時鐘極性）和CPHA（時鐘相位）來控制我們主設(shè)備的通信模式，具體如下：

????時鐘極性(CPOL)定義了時鐘空閑狀態(tài)電平：

CPOL=0，表示當(dāng)SCLK=0時處于空閑態(tài)，所以有效狀態(tài)就是SCLK處于高電平時

CPOL=1，表示當(dāng)SCLK=1時處于空閑態(tài)，所以有效狀態(tài)就是SCLK處于低電平時

????時鐘相位(CPHA)定義數(shù)據(jù)的采集時間：

CPHA=0，在時鐘的第一個跳變沿（上升沿或下降沿）進行數(shù)據(jù)采樣。，在第2個邊沿發(fā)送數(shù)據(jù)

CPHA=1，在時鐘的第二個跳變沿（上升沿或下降沿）進行數(shù)據(jù)采樣。，在第1個邊沿發(fā)送數(shù)據(jù)

????例如：

Mode0：CPOL=0，CPHA=0：此時空閑態(tài)時，SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)采樣是在第1個邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在上升沿(準備數(shù)據(jù)），（發(fā)送數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

Mode1：CPOL=0，CPHA=1：此時空閑態(tài)時，SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第1個邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

Mode2：CPOL=1，CPHA=0：此時空閑態(tài)時，SCLK處于高電平，數(shù)據(jù)采集是在第1個邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

Mode3：CPOL=1，CPHA=1：此時空閑態(tài)時，SCLK處于高電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第1個邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在上升沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

????它們的區(qū)別是定義了在時鐘脈沖的哪條邊沿轉(zhuǎn)換（toggles）輸出信號，哪條邊沿采樣輸入信號，還有時鐘脈沖的穩(wěn)定電平值（就是時鐘信號無效時是高還是低）。每種模式由一對參數(shù)刻畫，它們稱為時鐘極（clock polarity）CPOL與時鐘期（clock phase）CPHA。

SPI的通信協(xié)議

????主從設(shè)備必須使用相同的工作模式——SCLK、CPOL 和 CPHA，才能正常工作。如果有多個從設(shè)備，并且它們使用了不同的工作模式，那么主設(shè)備必須在讀寫不同從設(shè)備時需要重新修改對應(yīng)從設(shè)備的模式。以上SPI總線協(xié)議的主要內(nèi)容。

????是不是感覺，這就完了？SPI就是如此，他沒有規(guī)定最大傳輸速率，沒有地址方案，也沒規(guī)定通信應(yīng)答機制，沒有規(guī)定流控制規(guī)則。

????只要四根信號線連接正確，SPI模式相同，將CS/SS信號線拉低，即可以直接通信，一次一個字節(jié)的傳輸，讀寫數(shù)據(jù)同時操作，這就是SPI

????些通信控制都得通過SPI設(shè)備自行實現(xiàn)，SPI并不關(guān)心物理接口的電氣特性，例如信號的標(biāo)準電壓。

????PS:這也是SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機制確認是否接收到數(shù)據(jù)。

SPI的三種模式

????SPI工作在3中模式下，分別是運行、等待和停止。

運行模式（Run Mode）

????這是基本的操作模式

等待模式（Wait Mode）

????SPI工作在等待模式是一種可配置的低功耗模式，可以通過SPICR2寄存器的SPISWAI位進行控制。在等待模式下，如果SPISWAI位清0，SPI操作類似于運行模式。如果SPISWAI位置1，SPI進入低功耗狀態(tài)，并且SPI時鐘將關(guān)閉。如果SPI配置為主機，所有的傳輸將停止，但是會在CPU進入運行模式后重新開始。如果SPI配置為從機，會繼續(xù)接收和傳輸一個字節(jié)，這樣就保證從機與主機同步。

停止模式（Stop Mode）

????為了降低功耗，SPI在停止模式是不活躍的。如果SPI配置為主機，正在進行的傳輸會停止，但是在CPU進入運行模式后會重新開始。如果SPI配置為從機，會繼續(xù)接受和發(fā)送一個字節(jié)，這樣就保證了從機與主機同步。

SPI原理圖連接

STM32中SPI初始化配置

1.初始化GPIO口，配置相關(guān)引腳的復(fù)用功能，使能SPIx時鐘。調(diào)用函數(shù)：void GPIO_Init()；

2.使能SPI時鐘總線:RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE)

3.配置SPI初始化的參數(shù)，設(shè)置SPI工作模式:SPI_Init(SPI1,&SPI_Initstructure)

4.使能SPI外設(shè)：SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);

SPI配置設(shè)置

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typedef struct{uint16_t SPI_Direction; /*!< 傳輸方向，兩向全雙工，單向接收等*/uint16_t SPI_Mode; /*!< 模式選擇，確定主機還是從機 */uint16_t SPI_DataSize; /*!< 數(shù)據(jù)大小，8位還是16位 */uint16_t SPI_CPOL; /*!< 時鐘極性選擇 */uint16_t SPI_CPHA; /*!< 時鐘相位選擇 */uint16_t SPI_NSS; /*!< 片選是硬件還是軟件*/uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; /*!< 分頻系數(shù) */uint16_t SPI_FirstBit; /*!< 指定數(shù)據(jù)傳輸是從MSB還是LSB位開始的。MSB就是二進制第一位，LSB就是最后一位 */uint16_t SPI_CRCPolynomial; /*!< CRC校驗 ，設(shè)置 CRC 校驗多項式，提高通信可靠性，大于 1 即可*/}SPI_InitTypeDef;

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void SPI2_Init(void){   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;   RCC_APB2PeriphClockCmd(  RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB時鐘使能   RCC_APB1PeriphClockCmd(  RCC_APB1Periph_SPI2,  ENABLE );//SPI2時鐘使能      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //PB13/14/15復(fù)用推挽輸出   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB    GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);  //PB13/14/15上拉   SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //設(shè)置SPI單向或者雙向的數(shù)據(jù)模式:SPI設(shè)置為雙線雙向全雙工  SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;    //設(shè)置SPI工作模式:設(shè)置為主SPI  SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;    //設(shè)置SPI的數(shù)據(jù)大小:SPI發(fā)送接收8位幀結(jié)構(gòu)  SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;    //串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平  SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;  //串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;    //NSS信號由硬件（NSS管腳）還是軟件（使用SSI位）管理:內(nèi)部NSS信號有SSI位控制  SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;    //定義波特率預(yù)分頻的值:波特率預(yù)分頻值為256  SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;  //指定數(shù)據(jù)傳輸從MSB位還是LSB位開始:數(shù)據(jù)傳輸從MSB位開始  SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;  //CRC值計算的多項式  SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);  //根據(jù)SPI_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)SPIx寄存器   SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //使能SPI外設(shè)    SPI2_ReadWriteByte(0xff);//啟動傳輸     

}

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SPI發(fā)送函數(shù)(標(biāo)準庫/HAL庫)

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//標(biāo)準庫：u8 SPIx_ReadWriteByte(u8 TxData){    u8 retry=0;    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)    {    }//等待發(fā)送區(qū)空    SPI_I2S_SendData(SPI2, TxData); //通過外設(shè)SPIx發(fā)送一個byte 數(shù)據(jù)    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)    {    } //等待接收完一個byte    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2); //返回通過SPIx最近接收的數(shù)據(jù)} //HLA庫：uint8_t SPI_SendByte(uint8_t byte){    uint8_t d_read,d_send=byte;    if(HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1,&d_send,&d_read,1,0xFFFFFF)!=HAL_OK)    d_read=0XFF;    return d_read;

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　　審核編輯：湯梓紅