单片机外设篇——SPI协议

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前言

题目上写的是单片机，其实不管你的板子上不上系统（FreeRtos、Linux），协议都是不变的。题外话：工作过程中，一直在移植别人写好的SPI协议，然后和外设的芯片（例如：Flash芯片、NFC芯片等）进行通信，但是都没有往底层深入的看，下午照着代码看了三个多小时，写这篇博客作为总结。

一、SPI协议的特点

SPI （Serial Peripheral Interface），是串行外围设备接口，通过这几个接口（一般4个接口，有片选、时钟、输入、输出）出来的数据遵循一定的规则，我们把这个规则叫做协议，所以就是SPI协议，可以进行高速、全双工、同步的通信。现在越来越多的外设芯片集成了这种通信协议，常见的有FLASH、AD转换器，NFC芯片等。

1. 优点

• 支持全双工，信号完整性好；

• 支持高速（100MHz以上）；

• 协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长，（高位先行还是低位先行，需要看外设芯片的手册，主要是保证两个 SPI通讯设备之间使用同样的协定）；

• 硬件连接简单；

2. 缺点

• 相比IIC多两根线，有4根线；

• 没有寻址机制，只能靠片选选择不同设备。意思就是发送数据前，要先通过IO拉低设备片选信号，然后在发送数据，操作完成后将片选信号拉高；

• 没有从设备接受ACK，主设备对于发送成功与否不得而知；

• 典型应用只支持单主控；

• 相比RS232 RS485和CAN总线，SPI传输距离短，局限于PCB板子；

3. 结构

• 信号定义如下：
  SCK: Serial Clock 串行时钟
  MOSI : Master Output, Slave Input 主发从收信号
  MISO: Master Input, Slave Output 主收从发信号
  SS/CS : Slave Select 片选信号

二、SPI协议分析

1. 模式概念理解

首先要知道时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA的概念，概念自行百度，根据CPOL 及 CPHA 的不同状态，SPI 分成了四种模式，若你写软SPI协议的话，一定要知道这四种模式，使用硬SPI协议的话，根据外设芯片，在初始化时，配置MCU的寄存器即可。四种模式如下：

例如：W25Q64这款FLSH芯片，既支持模式0，也支持模式3，所以在MCU初始化SPI时，就可以选择这两种模式中的一种。

2. 通信过程分析

这是一张野火STM32F103手册上的图片，我们参考这种图片来分析通信过程

• (1) 拉低NSS信号线，产生起始信号(图中没有画出)；（需要软件操作)
• (2) 把要发送的数据写入到“数据寄存器 DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；（需要软件操作)
• (3) 通讯开始，SCK 时钟开始运行。MOSI 把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO 则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；（我们不用管，单片机会自动帮我们完成！)
  *(4) 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器 SR”中的“TXE 标志位”会被置 1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置 1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；（需要软件操作，因为我们要做状态查询，通常是while死循环来保证数据被发送或接收)
• (5) 等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE 标志位”为 1时，通过读取“数据寄存器 DR”可以获取接收缓冲区中的内容;
• (6) 拉高 NSS信号线，产生结束信号（需要软件操作)

3. SPI个人协议理解

其实，对于任何一种MCU支持的协议来说，我们要做的就3步：

• 1、初始化
• 2、发送数据
• 3、接收数据
  不过，spi协议在发送和接收数据前要拉低片选信号而已。对MCU操作来说，每款MCU的厂家给出的寄存器是不一样，在编写发送或接收函数时，每个MCU的编写函数是不一样的。这里，分析两家的,拿到一款芯片后，可以参考厂家demo编写，这才是最正确的，千万不要傻乎乎的字节从头到尾写。

第一家，意法半导体的STM32F103芯片。因为之前说过，SPI协议没有从设备发送ACK，所以主设备对于发送成功与否不得而知，但是可以知道数据buff是否发送完成，简单来说，数据发送成不成功我不知道，但是我知道数据发没发完。每个厂家设计的不一样，STM32检测buff是否发送完成依据接收缓冲区（没有写出错，是接收缓冲区）不为空（这样设计感觉挺奇怪的，没办法厂家就是这样设计的）

• 1）发送之前，先检测TXE，若发送缓冲区位空，则将数据写入发送数据寄存器；
• 2）等待数据发送完成（若RXNE为非空，则表示发送完成）；

// 发送函数
u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)
{
     
    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 等待发送缓冲区为空，TXE事件 */
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
    {
     
        if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);
    }

    /* 写入数据寄存器，把要写入的数据写入发送缓冲区 */
    SPI_I2S_SendData(FLASH_SPIx, byte);   // 将一个字节的数据写入spi数据寄存器

    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 判断发送buff的数据是否完成，等待接收缓冲区非空，RXNE事件 */
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
    {
     
        if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);
    }

    /* 读取数据寄存器 */
    return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPIx );
}
// 接收函数
u8 SPI_FLASH_ReadByte(void)
{
     
	// 通过写的方式，来读数据，感觉挺奇怪的
    return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte));	//Dummy_Byte为任意字节，无意义，但是必须要写，一般我们写0XFF
}

• 第二家，国内HUA芯片， 这款芯片就有专门的发送完成和是否接受到数据的状态寄存器，发送和接收逻辑符合我们通常的认知。写这两个函数的时候需要参考厂家demo。
• 

// 发送函数
void Spim0SendData(UINT8 *data_buf, UINT16 len)
{
         
	UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;
	UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;
	
	Spim0ClrFifo();		//清空发送缓冲区
    Spim0RecAutorcvDis();  	// 禁用自动接收
	Spim0TransStart();		// 开始发送
	Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND);	// 清空发送完成寄存器
	
	while(len)
    {
             
     	if(len >= 8)
        {
     
			/*send 8 Byte data*/
			for (UINT8 i = 0; i < 8; i++)
			{
     
				SPIM0->DR = *data_buf;
				data_buf++;
			}					
			len -= 8;
			wrcnt += 8;
        }
        else if(len >= 4)
        {
     
			/*send 4 Byte data*/
			for (UINT8 i = 0; i < 4; i++)
			{
     
				SPIM0->DR = *data_buf;
				data_buf++;
			}					
			len -= 4;
			wrcnt += 4;
        } 		
		else
		{
     
			for (UINT8 i = 0; i < len; i++)
			{
     
				SPIM0->DR = *data_buf;
				data_buf++;
				len--;
			}					
		}

		while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_TXEND)); 
		Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND);
	}
	Spim0TransStop();
}
// 接收函数
void Spim0RecvData( UINT8 *data_buf, UINT16 rev_len)
{
        
	UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;
	UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;
	
	Spim0SetClk(rev_len & 0x3ff);/*set rx frames,the maxlen is 0x3ff bytes*/
	Spim0ClrFifo();
	Spim0RecAutorcvEn();/*only receive mode en*/	  
    Spim0TransStart();
	
		while(rev_len != 0)
		{
     
			if(rev_len >= 4)
			{
     	    			             	
				/*receive 4 byte data*/
				while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXHF));
				*data_buf++ = SPIM0->DR;
				*data_buf++ = SPIM0->DR;
				*data_buf++ = SPIM0->DR;
				*data_buf++ = SPIM0->DR;
				rev_len -= 4;			
			}        
			else
			{
     			           
				while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXNE));
				for(; rev_len>0; rev_len--)
				{
     
					*data_buf++ = SPIM0->DR;
				}
			}
		}
	
	Spim0TransStop();    
} 

4、使用SPI协议操作SPI外设芯片

需要先看外设芯片的数据手册，例如W25Q64 flash芯片的操作指令为，（下图中括号的数据为接收的数据）：

举个简单的例子，使用stm32读flash的设备ID:

u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
{
     
    u32 Temp = 0;

    /* Select the FLASH: Chip Select low */
    SPI_FLASH_CS_LOW();

    /* Send "RDID " instruction */
    SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID);		// 0xAB
    SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
    SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
    SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

    /* Read a byte from the FLASH */
    Temp = SPI_FLASH_ReadByte();	// 等价于 Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

    /* Deselect the FLASH: Chip Select high */
    SPI_FLASH_CS_HIGH();

    return Temp;
}

总结

• 1、SPI协议主要写的就是发送和接收函数，发送和接收的数据需要看外设芯片的数据手册；
• 2、若MCU支持硬SPI协议，那我们一般用硬spi协议，若用软的，移植的时候不好移植，因为你不知道你的外设芯片支持哪种spi模式。如果MCU不支持SPI，现在你又需要SPI，这时就可以写个软的SPI协议。不过现在芯片一般都支持硬SPI了，除非为了节省成本，你的芯片很Low很Low。
• 软spi协议很简单，关于波特率，你不需要太过关系，只要不超过外设芯片的波特率就可以，至于具体是多少Hz，如果不追求速度的话，没有太大的关系，可以先调通spi，然后在调速。
• 软SPI协议如下（模式0）： 可以看到，先操作的是数据IO，然后在操作SCK的IO。
  
  请务必参考上面的时序图，来看下面软spi模式0对应的代码，不然不知道原由：

// spi发送函数
void SpiByteWrite(unsigned char dat) 
{
      
    unsigned char mask; 
    for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在前，逐位移出 
    {
      
        if ((mask&dat) != 0) //首先输出该位数据 
            Set_MOSI_IO(1); 	// IO拉高
        else 
            Set_MOSI_IO(0); 	// IO拉低
        Set_SPI_CK(1);       //然后拉高时钟，数据采样，IO拉高
        Set_SPI_CK(0);       //再拉低时钟，完成一个位的操作 ，IO拉低
    } 
     Set_MOSI_IO(1);            //最后确保释放 IO 引脚，IO拉高
} 

// spi总线上读取一个字节  
unsigned char DS1302ByteRead() 
{
      
    unsigned char mask; 
    unsigned char dat = 0; 
     
    for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在前，逐位读取 
    {
      
        if (Get_MISO_IO!= 0)  //首先读取此时的 IO 引脚，并设置 dat 中的对应位 
        {
      
            dat |= mask; 
        } 
        Set_SPI_CK(1);       //然后拉高时钟，数据采样，IO拉高
        Set_SPI_CK(0);       //再拉低时钟，完成一个位的操作 ，IO拉低
    } 
    return dat;              //最后返回读到的字节数据 
}

• 若其他模式，参考下面的图片，相信你也能自己写出对应的软SPI协议。

在时序上，SPI 比 I2C 简单多，没有了起始、停止和应答，和UART一样， SPI 在通信的时候，只负责通信，不管是否通信成功，而 I2C 却要通过应答信息来获取通信成功失败的信息，所以相对来说，UART 和 SPI 的时序都要比 I2C 简单一些。