硬件SPI与软件模拟SPI速度区别实测

硬件SPI与软件模拟SPI速度区别实测

目前为了程序移植方便，许多以SPI接口的芯片所提供的参考代码大多都使用的是软件SPI，比如笔者用过的存储芯片W25Q16，SPI接口驱动的OLED显示屏，LORA芯片SX1278等。
最近为了驱动彩色OLED显示屏，为了提高显示刷新率，需要对程序代码进行优化。于是，将相关SPI驱动从软件模拟转换为硬件控制，就势在必行了。
然而，到底软件模拟SPI和硬件SPI有多大的速度区别呢？

1.系统配置

为了测试的公平性，选用同样的ARM（STM32L151C8T6）以及系统时钟(32M)，配置如下图所示：

2.软件模拟SPI

选用了最常用的软件模拟SPI进行写操作，以单字节写指令为例，代码如下：

void SPI_Write_data(u8 dat) 
{	
	u8 i;
	SPI_CS_RESET();//SPI选通管脚拉低
	for(i=0;i<8;i++)
	{			  
		SPI_SCLK_Clr();
		if(dat&0x80)
		{
		   SPI_MOSI_Set();
		}
		else
		{
		   SPI_MOSI_Clr();
		}
		SPI_SCLK_Set();
		dat<<=1;
	}	
  SPI_CS_Set();	//SPI选通管脚拉高
}

代码也很简单，在通信前拉低 CS 管脚选通SPI对应芯片，然后按高位到低位的顺序发送“dat”内8位数据。我们让主程序无延时下循环发送数据，用示波器观测 SCK 管脚（或称SCL）的输出波形，就可以知道SPI的传输速率了。（这里需要说明，无论是硬件控制SPI还是软件模拟SPI，都没有用到DMA，故而每个字节发送间由于程序语句判断的延迟不在比较范围内，只比较每个字节发送时的时间）
示波器抓取的SCK波形如下：

这边需要注意，每一位的采样只在SCK上升沿（或下降沿）进行，故而SCK每交变一次，传输一位数据。图中可以看出，SPI发送速率在492.4KHZ左右，每个字节需要用16.2uS的时间来发送。

3.硬件控制SPI

硬件控制SPI时，首先需要初始化SPI接口，接着调用HAL库函数 HAL_SPI_Transmit即可方便的传输数据，基本代码如下：

 uint8_t Tx_str[] = "关老师的SPI测试数组\r\n";
 HAL_Init();
 SystemClock_Config();
 MX_GPIO_Init();
 MX_SPI1_Init();//以上皆为使用HAL库所需要做的初始化
 HAL_SPI_Transmit(&hspi1, Tx_str, sizeof(Tx_str)-1, 10000);//发送数组数据，由于只采样SCK管脚
 													  	   //所以数据内容无所谓

硬件控制SPI情况下示波器抓取的SCK波形如下：

从波形上我们可以很明显的看出，SPI发送速率在16MHz，每个字节需要用0.5uS的时间来发送。

4.总结

通过对比我们可以很明显的看出，硬件控制SPI比起软件模拟SPI，在相同系统时钟的情况下，速度要快上32倍。故而，有SPI总线高速需求的环境下，应当使用硬件控制方式来进行SPI通信。

5.补充

高速SPI固然让人收益巨大，但也有一定弊端，比如电路走线易受干扰，以及部分芯片对SPI总线速度有约束，不能设置得过高。在上升时间与下降时间有特别要求的SPI外设下，需要特别注意总线寄生容感。
为了提升SPI速率，在程序优化上需要下功夫，减少字节间的传输延迟。