STM32通信模拟SPI

Posted 2021-05-25 studying~

一.SPI 协议
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是由摩托罗拉（Motorola）在1980前后提出的一种全双工同步串行通信接口，它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，通信速度最高可达25MHz以上。

SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、网络控制器、OLED显示驱动器、AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等设备之间。

SPI通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（Master Output Slave Input，MOSI），一条主设备输入与从设备输出（Master Input Slave Output，MISO），一条时钟信号（Serial Clock，SCLK），一条从设备使能选择（Chip Select，CS）。与I²C类似，协议都比较简单，也可以使用GPIO模拟SPI时序。

SPI和I²C对比如表 21.1.1 所示。SPI可以同时发出和接收数据，因此SPI的理论传输速度比I²C更快。SPI通过片选引脚选择从机，一个片选一个从机，因此在多从机结构中，需要占用较多引脚，而I²C通过设备地址选择从机，只要设备地址不冲突，始终只需要两个引脚。

物理拓扑结构

SPI可以一个主机连接单个或多个从机，每个从机都使用一个引脚进行片选，物理连接示意图如图21.1.1 和 图 21.1.2 所示。

数据交换

在SCK时钟周期的驱动下，MOSI和MISO同时进行，如图 21.1.3 所示，可以看作一个虚拟的环形拓扑结构。

主机和从机都有一个移位寄存器，主机移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从机的移位寄存器，此时从机移位寄存器的数据也通过MISO传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换。无论主机还是从机，发送和接收都是同时进行的，如同一个“环”。

如果主机只对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主机要读取从机数据，需要主机发送一个空字节（0xff）来引发从机发送数据。

SPI工作原理总结
1.硬件上为4根线。
2.主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。
3.串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
4.外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

传输模式
SPI有四种传输模式，如表 21.1.2 所示，主要差别在于CPOL和CPHA的不同。

CPOL（Clock Polarity，时钟极性）表示SCK在空闲时为高电平还是低电平。当CPOL=0，SCK空闲时为低电平，当CPOL=1，SCK空闲时为高电平。

CPHA（Clock Phase，时钟相位）表示SCK在第几个时钟边缘采样数据。当CPHA=0，在SCK第一个边沿采样数据，当CPHA=1，在SCK第二个边沿采样数据。

如图 21.1.4 所示，CPHA=0时，表示在时钟第一个时钟边沿采样数据。当CPOL=1，即空闲时为高电平，从高电平变为低电平，第一个时钟边沿（下降沿）即进行采样。当CPOL=0，即空闲时为低电平，从低电平变为高电平，第一个时钟边沿（上升沿）即进行采样。

如图 21.1.5 所示，CPHA=1时，表示在时钟第二个时钟边沿采样数据。当CPOL=1，即空闲时为高电平，从高电平变为低电平再变为高电平，第二个时钟边沿（上升沿）即进行采样。当CPOL=0，即空闲时为低电平，从低电平变为高电平再变为低电平，第二个时钟边沿（下降沿）即进行采样。

有了以上基础知识，基本可以想象出如何使用GPIO模拟SPI通信时序。首先主机和从机都选择同一传输模式。然后主机片选拉低，选中从机。接着在时钟的驱动下，MOSI发送数据，同时MISO读取接收数据。最后完成传输，取消片选。

二.FLASH 介绍
关于Flash，前面EEPROM章节，有过简单介绍。EEPROM和Flash的本质上是一样的，都用于保存数据，Flash包括MCU内部的Flash和外部扩展的Flash，本开发板的W25Q64就是一颗SPI接口的外部Flash。从功能上，Flash通常存放运行代码，运行过程中不会修改，而EEPROM存放用户数据，可能会反复修改。从结构上，Flash按扇区操作，EEPROM通常按字节操作。

结构组成

Flash类型众多，其中比较常见是W25Qxx系列，从命名上看，W25Qxx中xx的单位是M Bit，本开发板上的Flash型号为W25Q64，其存储容量为64M Bit。

对于W25Q64，每页大小为256 Byte。如图 21.1.6 所示，W25Q64由128块（Block）组成，每块由16扇 区（Sector）组成，W25Qxx的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除4K个字节。这样我们需要给W25Qxx开辟一个至少4K的缓存区，这样对SRAM要求比较高，要求芯片必须有4K以上SRAM才能很好的操作。每个扇区由16页（Page）组成，每一页由256个字节（Byte）组成，每个Byte由8位（Bit）组成，Bit为最小存储单位，存放1个0或1。

Flash有个物理特性：只能写0，不能写1。如果把Flash的每个Bit，都看作一张纸，bit=1表示纸没有内容，bit=0表示纸写入了内容。当纸为白纸时（bit=1），这时往纸上写东西是可以的，写完后纸的状态变为bit=0。当纸有内容时（bit=0），这时往纸上写东西只能让数据越乱，也就无法正常写数据。此时需要橡皮檫，进行擦除操作，将有内容的纸（bit=0）变为白纸（bit=1），使得以后可以重新写入数据。

因此，对Flash写数据前，通常需要擦除操作。对于W25Q64，数据擦除可以以Sector为单位也可以以Block为单位。数据写入只能按照Page来写入，也就一次最多只能写256个Byte。

SPI相关库函数：

void SPI_I2S_DeInit(SPI_TypeDef* SPIx);
void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_ITConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_DMACmd(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_DMAReq, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);
void SPI_DataSizeConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_DataSize);

FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
void SPI_I2S_ClearFlag(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
ITStatus SPI_I2S_GetITStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);
void SPI_I2S_ClearITPendingBit(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);

程序配置过程：

①配置相关引脚的复用功能，使能SPIx时钟
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
②初始化SPIx,设置SPIx工作模式
void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
③使能SPIx
void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);
④SPI传输数据
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx) ;
⑤查看SPI传输状态
SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE)