STM32SPI通信原理

Posted 2021-06-16 想成为大师啊

参考正点原子视频

SPI接口简介

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，主要应用于EEPROM，FLASH,实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200

SPI内部结构简明图

SPI工作原理总结

• 硬件上为4根线
• 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
• 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
• 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

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。

SPI接口一般使用4条线通信：

• MISO（Master Input Slave Output）：主设备数据输入，从设备数据输出
• MOSI（Master Output Slave Input）：主设备数据输出，从设备数据输入
• SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生
• CS（Chip Select）：从设备片选信号，由主设备控制

其中，CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），才能完成8位数据的传输。

时钟信号线SCLK只能由主设备控制，从设备不能控制。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主设备。这样的传输方式有一个优点，在数据位的传输过程中可以暂停，也就是时钟的周期可以为不等宽，因为时钟线由主设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。芯片集成的SPI串行同步时钟极性和相位可以通过寄存器配置，IO模拟的SPI串行同步时钟需要根据从设备支持的时钟极性和相位来通讯。

最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

SPI接口框图

STM32 SPI接口可配置为支持SPI协议或者支持I2S音频协议，默认为SPI模式。可以通过软件切换到I2S方式

SPI特征

• 3线全双工同步传输
• 8或16位传输帧格式选择
• 主或从操作
• 支持多主模式
• 8个主模式波特率预分频系数（最大为fpclk/2）
• 从模式频率（最大为fpclk/2）
• 主模式和从模式的快速通信
• 主模式和从模式下均可以由软件或硬件进行NSS管理，主/从操作模式的动态改变
• 可编程的时钟极性和相位
• 可编程的数据顺序，MSB在前或LSB在前
• 可触发中断的专用发送和接收标志
• SPI总线忙状态标志
• 支持可靠通信的硬件CRC
• ----在发送模式下，CRC值可以被作为最后一个字节发送
• ----在全双工模式中对接收到的最后一个字节自动进行CRC校验
• 可触发中断的主模式故障，过载以及CRC错误标志
• 支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器：产生发送和接收请求

NSS脚

NSS：从器件选择。这是用于选择从器件的可选引脚。此引脚用作“片选”，可让 SPI主器件与从器件进行单独通信，从而并避免数据线上的竞争。从器件的 NSS 输入可由主器件上的标准 IO 端口驱动。 NSS 引脚在使能（SSOE 位）时还可用作输出，并可在SPI 处于主模式配置时驱动为低电平。通过这种方式，只要器件配置成 NSS 硬件管理模式，所有连接到该主器件 NSS 引脚的它器件 NSS 引脚都将呈现低电平，并因此而作为从器件。当配置为主模式，且 NSS 配置为输入（MSTR=1 且 SSOE=0）时，如果NSS 拉至低电平， SPI 将进入主模式故障状态： MSTR 位自动清零，并且器件配置为从模式。

1) NSS管脚为输出时

主模式配置，并且使能（SSOE 位）时可用作输出。对外输出低电平，那么当其他SPI器件的NSS管脚与之相连，并且为硬件从器件管理时，则其他器件会被选定为从器件。另外，还可以把NSS管脚当做片选管脚使用。

2) NSS管脚为输入时

• 软件从器件管理：SSM = 1，从器件选择信息在内部由 SPI_CR1 寄存器中的 SSI
  位的值驱动。此时SSI位的值替代了NSS管脚的电平信号
• 硬件从器件管理：SSM = 0，当器件在主模式下工作时才使用此配置。当NSS管脚输入为高电平，芯片会被配置为主器件；反之会被芯片会被配置为从器件。

结论：

• 假如选择硬件从器件管理，则NSS管脚应该接高电平，此时STM32为SPI主机。

• 假如选择软件从器件管理，则SS I位应该配置1，此时STM32为SPI主机。

建议选择软件从器件管理，能省下一个IO口，此时 NSS管脚可以作为普通IO口使用。

时钟信号的相位和极性

• SPI_CR寄存器的CPOL和CPHA位，能够组合成四种可能的时序关系。CPOL（时钟极性）位控制在没有数据传输时时钟的空闲状态电平，此位对主模式和从模式下的设备都有效。如果CPOL被清’0‘，SCK引脚在空闲状态保持低电平；如果CPOL被置’1‘，SCK引脚在空闲状态保持高电平。
• 如果CPHA（时钟相位）位被置’1‘，SCK时钟的第二个边沿（CPOL位为0时就是下降沿，CPOL位为’1‘时就是上升沿）进行数据位的采样，数据在第二个时钟边沿被锁存。如果CPHA位被清’0‘，SCK时钟的第一边沿（CPOL位为’0‘时就是下降沿，CPOL位为’1‘时就是上升沿）进行数据位采样，数据在第一个时钟沿被所存。
• CPOL时钟极性和CPHA时钟相位的组合选择数据捕捉的时钟边沿。

数据帧格式

• 根据SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位，输出数据位时可以MSB在先也可以LSB在先
• 根据SPI_CR1寄存器的DFF位，每个数据帧可以是8位或是16位。所选择的数据帧格式对发送和/或接收都有效

状态标志

• 应用程序通过3个状态标志可以完全监控SPI总线的状态

发送缓冲器空闲标志（TXE）

• 此标志为’1‘时表明发送缓冲器为空，可以写下一个待发送的数据进入缓冲器中。当写入SPI_DR时，TXE标志被清除

接收缓冲器非空（RXNE）

• 此标志为’1‘时表明在接收缓冲器中包含有效的接收数据。读SPI数据寄存器可以清除此标志

忙（Busy）标志

• BSY标志由硬件设置与清除（写入此位无效果），此标志表明SPI通信层的状态

SPI中断

SPI引脚配置

常用寄存器

• SPI控制寄存器1（SPI_CR1）
• SPI控制寄存器2（SPI_CR2）
• SPI状态寄存器（SPI_SR）
• SPI数据寄存器（SPI_DR）
• SPI_I2S配置寄存器（SPI_I2S_CFGR）
• SPI_I2S预分频寄存器（SPI_I2SPR）

SPI相关库函数

初始化函数

void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);

作用：初始化SPI的相关参数，比如方向（全双工）、主从模式、数据大小、CPOL、CPHA、片选软件模式、预分频系数等。

使能函数

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);

作用：使能SPI接口；使能SPI中断；使能SPI的DMA功能。

数据传输函数

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);

作用：分别用于SPI传输数据、接收数据。

状态位函数

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);

作用：前两者用于获得和清除SPI的各种状态位；后两者则针对SPI的中断标志位。

typedef struct
{
	u16 SPI_Direction;//用于设置SPI单向或者双向数据模式。
	u16 SPI_Mode;//用于设置SPI的工作模式；
	u16 SPI_DataSize;//用于设置SPI数据大小；
	u16 SPI_CPOL;//用于选择串行时钟的稳态；
	u16 SPI_CPHA;//用于设置位捕捉的时钟活动沿；
	u16 SPI_NSS;//用于指定NSS信号由硬件（NSS引脚）还是软件（SSI位）管理
	u16 SPI_BaudRatePrescaler;//用于定义比特率预分频的值，该值用于设置发送和接收的SCK时钟
	u16 SPI_FirstBit;//用于指定数据传输从MSB位还是LSB位开始
	u16 SPI_CRCPolynomial;//定义用于CRC值计算的多项式
}SPI_InitTypeDef;

其中每一个参数初始化可取的值可以查询相关的手册得到，以下用一个例子来说明每一个参数的初始化使用情况。

1.SPI_DeInit函数的功能是将外设SPIx寄存器重设为默认值。输入参数SPIx可以是1和2，是用来选择SPI外设的。

2.SPI_Init函数的功能是根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器。SPI_InitDefType的结构体是定义在文件stm32f10x_spi.h里。

// 依据SPI_InitTsructure中指定的参数初始化SPI1

SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//SPI设置双线双向全双工

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;//设置为主SPI；

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;//SPI发送接收16位帧；

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High；//时钟悬空高；

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;//数据捕获于第2个时钟沿；

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Hard;//NSS由外部引脚管理

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;//比特率预分频为128；

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;//数据传输从MSB位开始

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial =7；//CRC计算的初值为7；

SPI(SPI1,SPI_InitStructure)；

3.SPI_Cmd函数的功能是使能或者失能SPI外设。

SPI_Cmd（SPI1,ENABLE）;

4.SPI_ITCinfig函数的功能是使能或者失能指定的SPI中断，该函数可取的参数值是SPI_IT_TXE/RXNE/ERR：发送缓存空中断频屏蔽/接受缓存非空中断屏蔽/错误中断屏蔽。

SPI_ITConfig（SPI2,SPI_IT_TXE,ENABLE）;

5.SPI_DMACmd函数的功能是使能或者失能指定SPI的DMA请求。该函数可取的值为SPI_DMAReq_Tx/Rx:选择Tx/Rx缓存DMA传输请求。

SPI_DMACmd（SPI2,SPI_CmdRq_Tx,ENABLE）;

6.SPI_SendData函数的功能是通过外设SIPx发送一个数据

SPI_SendData(SPI1,0XA5);

7.SPI_ReceiveData函数的功能是返回通过SPIx最近接受的数据，其中接收到的数据是16位的数据。

u16 ReceiveData;
ReceiveData = SPI_ReceiveData(SPI2);

8.SPI_GetFlagStatus函数的功能是检查指定的SPI标志位置位与否。一共有4种可取值：SPI_FLAG_BSY/OVR/MODF/RXNE:忙/超出/模式错误/接收缓存非空标志位。

9.SPI_ClearFlag函数的功能是清楚SPIx的待处理标志位。

SPI_ClearFlag(SPI2,SPI_FLAG_OVER);

10.spi_GetITStatus函数的功能是检查指定的SP中断发生与否。参数可取的值为：SPI_IT_OVR/MODF/CRC/RXNE/TXE.

ITStatus = Status；

Status = SPI_GetITStatus(SPI1,SPI_IT_OVR);

11.SPI_ClearITPendingBit函数的功能是清除SPIx的中断处理位。

SPI_ClearITPendingBit（SPI2,SPI_IT_CRCERR）；

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);

硬件连接