单片机的SPI协议

参考博客 ： https://blog.csdn.net/ivy_reny/article/details/78189058

 

一、概述

        SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口），是Motorola公司提出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工、同步通信总线，在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输，节约了芯片pin的数目，同时为PCB在布局上节省了空间。正是由于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片上都集成了SPI技术。
SPI主要用于EEPROM、Flash、RTC（实时时钟）、ADC（数模转换器）、DSP（数字信号处理器）以及数字信号解码器上。目前应用中的数据速率可达几Mbps。
二、特点

1、采用主从模式（Master-Slave）的控制方式，支持单Master多Slave
        SPI规定了两个SPI设备之间通信必须由主设备Master来控制从设备Slave。一个Master可以通过提供clock以及对Slave进行片选（Slave Select）来控制多个Slave。SPI协议还规定Slave设备的clock由Master通过SCK管脚提供给Slave，Slave本身不能产生或控制clock，没有clock则Slave不能正常工作。
2、采用同步方式（Synchronous）传输数据
        Master会根据将要交换的数据产生相应的时钟脉冲，组成时钟信号，时钟信号通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）控制两个SPI设备何时交换数据以及何时对接收数据进行采样，保证数据在两个设备之间是同步传输的。
3、数据交换
        SPI设备间的数据传输被称为数据交换，因为SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅充当一个发送者（Transmitter）或者接受者（Receiver）。在每个clock周期内，SPI设备都会发送并接收1 bit数据，相当于有1 bit数据被交换了。数据传输高位在前，低位在后（MSB first）。
在数据传输过程中，每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样，如果之前接收到的数据没有被读取，那么这些已经接收完成的数据将有可能被丢弃，导致SPI物理模块最终失效。因此在程序中一般都会在SPI传输完数据后，读取SPI设备里的数据，即使这些数据在程序里是无效的。。

 

SPI总线四种工作方式

SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。

       时序详解：

　　CPOL：时钟极性选择，为0时SPI总线空闲为低电平，为1时SPI总线空闲为高电平

　　CPHA：时钟相位选择，为0时在SCK第一个跳变沿采样，为1时在SCK第二个跳变沿采样

　

 

 

三、数据传输

        SPI是一个环形总线结构，由SS (CS)、SCK、SDI、SDO构成，时序很简单，在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。SSPSR控制数据移入移出SSPBUF，controller确定SPI总线的通信模式。
SSPBUF：Synchronous Serial Port Buffer，泛指SPI设备里面的内部缓冲区，一般在物理上是以FIFO的形式，保存传输过程中的临时数据；
SSPSR：Synchronous Serial Port Shift Register，泛指SPI设备里面的移位寄存器，根据设置好的数据位宽把数据移入或移出SSPBUF；
Controller：泛指SPI设备里面的控制寄存器，通过配置寄存器来设置SPI总线的传输模式。
通常情况下，只需要对四个pin进行编程即可控制SPI设备之间的数据通信：
SCK（Serial Clock）：主要作用是Master向Slave传输时钟信号，控制数据交换的时机和速率；
SS/CS（Slave Select/Chip Select）：用于Master片选Slave，使被选中的Slave能够被Master访问；
SDO/MOSI（Serial Data Output/Master Out Slave In）：在Master上也被称为Tx-channel，作为数据的出口，主要用于SPI设备发送数据；
SDI/MISO（Serial Data Input/Master In Slave Out）：在Master上也被称为Rx-channel，作为数据的入口，主要用于SPI设备接收数据。
四、传输时序

        SPI接口有四种不同的数据传输时序，取决于时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的组合。时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。主机和从机发送数据是同时完成的，接收数据也是同时完成的。
时钟极性CPOL：SPI在空闲时，时钟信号是高电平还是低电平，即SCLK发送8 bit数据之前和之后的状态。CPOL=0，空闲电平为低电平，CPOL=1，空闲电平为高电平。
时钟相位CPHA：数据采样在时钟的第几个边沿。CPHA=0，在每个周期的第一个时钟沿采样，CPHA=1，在每个周期的第二个时钟沿采样。

        Bit1为MSB，Bit8为LSB。假设CPOL=0，CPHA=0。在SCK的第一个时钟周期，在时钟的前沿采样数据（上升沿），在时钟的后沿输出数据。先看主器件，主器件的输出口（MOSI）输出数据bit1，在时钟的前沿被从器件采样，那主器件是何时输出bit1的呢？bit1的输出时刻实际上在SCK信号有效以前，比SCK的上升沿还要早半个时钟周期，bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。再来看从器件，主器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的，那从器件又是在何时输出bit1的呢？从器件实在SSEL信号有效后，立即输出bit1，尽管此时SCK信号还没有生效。
SSPSR

        是SPI设备内部的移位寄存器，根据SPI时钟信号状态，往SSPBUF里移入或移出数据，每次移动的数据大小由Bus-width和Channel-width决定。
        Bus-width的作用是指地址总线到Master之间数据传输的单位。例如要往Master的SSPBUF写入16 byte大小的数据。首先，给Master的配置寄存器设置Bus-width为Byte，然后往Master的Tx-Data移位寄存器在地址总线的入口写入数据，每次写入1 byte大小的数据，写完1 byte数据后，Master里面的Tx-data移位寄存器会自动把地址总线传来的1 byte数据移入SSPBUF里，上述动作一共重复执行16次。
        Channel-width的作用是指定Master与Slave之间数据传输的单位，与Bus-width类似，Master内部的移位寄存器会根据channel-width自动把数据从Master-SSPBUF里通过Master-SDO管脚搬运到Slave-SDI管脚，Slave-SSPSR再每次把接收的数据移入Slave-SSPBUF里。
        通常情况下，Bus-width总是大于或等于channel-width，这样保证不会出现因Master与Slave之间数据交换的频率比地址总线和Master数据交换频率快，导致SSPBUF里面存放数据为无效数据的情况发生。
SSPBUF

        在每个时钟周期内，Master与Slave之间交换的数据其实都是SPI内部移位寄存器从SSPBUF里面拷贝的，可以通过往SSPBUF对应的寄存器（Tx-Data/Rx-Data register）里读写数据，间接操控SPI内部的SSPBUF。
        在发送数据之前，先往Master的Tx-Data寄存器写入要发送出去的数据，这些数据会被Master-SSPSR移位寄存器根据Bus-width自动移入Master-SSPBUF里，然后这些数据又被Master-SSPSR根据Channel-width从Master-SSPBUF中移出，通过Master-SDO管脚传给Slave-SDI管脚，Slave-SSPSR则把从Slave-SDI接收到的数据移入Slave-SSPBUF里。与此同时Slave-SSPBUF里面的数据根据每次接收数据的大小（Channel-width）通过Slave-SDO发往Master-SDI，Master-SSPSR再把从Master-SDI接收的数据移入Master-SSPBUF。在单次数据传输完成后，用户程序可以通过从Master的Rx-Data寄存器读取Master数据交换得到的数据。
Controller

        Master里面的Controller主要通过时钟信号以及片选信号来控制Slave。Slave会一直等待，直到接收到Master发过来的片选信号，然后根据时钟信号来工作。
Master的片选操作必须由程序实现。例如，程序把SS/CS的信号拉低电平，完成SPI设备数据通信的前期工作；当程序想让SPI设备结束数据通信时，再把SS/CS管脚上的时钟信号拉高电平。
 

 

总结：

1.主机和从机交换数据是一起的，采样和变换数据也是MOSI和MSIO一起进行的。

2.无论是硬件的SPI协议还是软件的SPI协议，当你要读取从机的数据的时候，都要发送同样大小BIT的字节给原来的Slave来交换数据， 在发送数据之前，先往Master的Tx-Data寄存器写入要发送出去的数据，这些数据会被Master-SSPSR移位寄存器根据Bus-width自动移入Master-SSPBUF里，然后这些数据又被Master-SSPSR根据Channel-width从Master-SSPBUF中移出，通过Master-SDO管脚传给Slave-SDI管脚，Slave-SSPSR则把从Slave-SDI接收到的数据移入Slave-SSPBUF里。与此同时Slave-SSPBUF里面的数据根据每次接收数据的大小（Channel-width）通过Slave-SDO发往Master-SDI，Master-SSPSR再把从Master-SDI接收的数据移入Master-SSPBUF。在单次数据传输完成后，用户程序可以通过从Master的Rx-Data寄存器读取Master数据交换得到的数据。

3.如你需要读取一个地址的数据，发送地址给从机了，从机就准备好数据，在等待信号线的变化，因为协议的原因，主机也会在信号线变化的时候，发送数据给从机，硬件SPI是把主机发送的数据放在发送缓冲区后，时钟线自动变化，主从机开始交换数据，软件模拟SPI的话，当你读取数据的时候，是直接手动改变时钟线，你只是操作MISO，但是MOSI的模拟端口本来就有高低位（1或者0）,如果只是读取操作的话，完全不用考虑从机采样MOSI，那不过是辣鸡数据，所以但是MISO的数据要自己动手采集，所以这就是区别，两者实质上是一样。

 

例子      RFID上升沿保持不变，可以采样，下降沿数据变化，不能采样。

void SPI_RC522_SendByte ( uint8_t byte )
{
  uint8_t counter;

  for(counter=0;counter<8;counter++)
  {     
        
    RC522_DELAY();
    RC522_SCK_0 ();//下降沿改变数据
    
        if ( byte & 0x80 )
      RC522_MOSI_1 ();
    else 
      RC522_MOSI_0 ();
        
    RC522_DELAY();
    RC522_SCK_1();//上升沿，数据等待从机采样
    
    RC522_DELAY();
    byte <<= 1; 
  }     
}

/**
  * @brief  从RC522发送1 Byte 数据
  * @param  无
  * @retval RC522返回的数据
  */
uint8_t SPI_RC522_ReadByte ( void )
{
  uint8_t counter;
  uint8_t SPI_Data;

  for(counter=0;counter<8;counter++)
  {
    SPI_Data <<= 1;
    RC522_SCK_0 ();下降沿改变数据
   
    
    RC522_DELAY();
    RC522_SCK_1 (); //上升沿，数据等待主机机采样
        
         if ( RC522_MISO_GET() == 1)
     SPI_Data |= 0x01;
         
    
    RC522_DELAY();
  }
  return SPI_Data;
    
}

.