STM32开发项目：硬件SPI的配置与使用

项目背景

笔者在一个高速数据采集项目中进行开发时，遇到了快速频繁读取ADC数据的需求，此时的软件模拟SPI已经无法满足，只能尝试采用硬件SPI对ADC进行读写。

关于SPI外设

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、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。

与I2C通讯不同，应用SPI接口的器件很多都对通讯速率有一定的要求，使用软件模拟SPI通讯有两个主要的缺点：1.增大MCU的负载，尤其是在大量数据高频收发时；2.数据传输速度无法得到控制与保证。

硬件连接

SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO以及片选线为SS，它们的作用介绍如下：

• SS( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、CS，以下用 NSS 表示。当有多个 SPI从设备与 SPI主机相连时，设备的其它信号线 SCK、MOSI及 MISO同时并联到相同的 SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这 3条总线；而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。I2C 协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而 SPI 协议中没有设备地址，它使用 NSS 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI通讯。所以 SPI通讯以 NSS 线置低电平为开始信号，以 NSS 线被拉高作为结束信号。
• SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
• MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。
• MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。
  

基本通讯过程

下图所示是一个SPI主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI 信号都由主机控制产生，而 MISO 的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。
在标号(1)处，NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号(6)处，NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI 及MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用上图所示的 MSB 先行模式。

观察图中的(2)~(5)标号处，MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出，在SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻，MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及 MISO 为下一次表示数据做准备。SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

工作模式

SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。时钟极性 CPOL 是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时， SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。时钟相位 CPHA 是指数据的采样的时刻，当 CPHA=0 时，MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。

CPHA=0 时的 SPI 通讯模式：
CPHA=1 时的 SPI 通讯模式：

由 CPOL 及 CPHA 的不同状态，SPI 分成了四种模式，如下表所示，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”。

SPI模式	CPOL	CPHA	时钟空闲	采样时刻
0	0	0	low	奇边沿
1	0	1	low	偶边沿
2	1	0	high	奇边沿
3	1	1	high	偶边沿

配置流程

GPIO端口功能配置：

void GPIO_Config()
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
	GPIO_AFIODeInit();

	//SPI-Clock:PA5 SPI-MISO:PA6 SPI-MOSI:PA7
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

SPI外设配置：

void SPI_Config()
{
	SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
	
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_32;
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
	
	SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

//	SPI_I2S_ITConfig(SPI1, SPI_I2S_IT_RXNE, ENABLE);
//	SPI_I2S_ClearFlag(SPI1, SPI_I2S_IT_RXNE | SPI_I2S_IT_TXE);
}

在某处使能SPI：

	SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

如果使能了SPI中断，需要在NVIC中配置其中断的主从优先级。

特别注意

硬件SPI写入数据的时候记得读取，不然会一直读出0xFF。因为SPI为双线结构，只要时钟线有信号，两条线上都会有信号，如果只发送数据而不同步读取数据，会造成溢出标志OVR被置1。

Overrun flag (OVR)
This flag is set when data are received and the previous data have not yet been read from SPI_DR. As a result, the incoming data are lost. An interrupt may be generated if the ERRIE bit is set in SPI_CR2.
In this case, the receive buffer contents are not updated with the newly received data from the transmitter device. A read operation to the SPI_DR register returns the previous correctly received data. All other subsequently transmitted half-words are lost.
Clearing the OVR bit is done by a read operation on the SPI_DR register followed by a read access to the SPI_SR register.

使用下面的函数可以通过硬件SPI安全地读写数据：

uint8_t SPI_I2S_ReadWriteData(uint8_t Tdata)
{
	while ((SPI1->SR & SPI_I2S_FLAG_TXE) == (uint16_t) RESET)
		;
	SPI1->DR = Tdata;
	while ((SPI1->SR & SPI_I2S_FLAG_RXNE) == (uint16_t) RESET)
		;
	///注意：接收区满了要及时读出来，否则将不能接收下一个字节数据
	return SPI1->DR;
}

参考文献