SPI 协议简介

1. SPI 协议

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。

1.1 SPI 物理层

SPI 通讯设备之间的常用连接方式：

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

(1) 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。。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。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 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。

1.2 SPI协议层

SPI 通讯的通讯时序

1.2.1 通讯的起始和停止信号

在图 25-2 中的标号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。

1.2.2. 数据有效性

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，一般都会采用图 25-2 中的 MSB 先行模式。 观察图中的2,3,4,5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。

1.2.3 CPOL/CPHA 及通讯模式

2 STM32 的 SPI 特性及架构

2.1 STM32 的 SPI 外设简介

STM32 的 SPI 外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的 SCK 时钟频率为 fpclk/2 (STM32F103 型号的芯片默认 fpclk1为 72MHz，fpclk2为 36MHz)，完全支持 SPI 协议的 4 种 模式，数据帧长度可设置为 8 位或 16 位，可设置数据 MSB 先行或 LSB 先行。它还支持双 线全双工(前面小节说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可 以同时使用 MOSI 及 MISO 数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单 线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。

2.2 STM32 的 SPI 架构剖析

2.2.1 通讯引脚

2.2.2 时钟控制逻辑

2.2.3 数据控制逻辑

SPI 的 MOSI 及 MISO 都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标 接收、发送缓冲区以及 MISO、MOSI 线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发 送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候， 数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。通过写 SPI 的“数据寄存器 DR”把数据填充到发送 F 缓冲区中，通讯读“数据寄存器 DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器 CR1”的“DFF 位”配置 成 8 位及 16 位模式；配置“LSBFIRST 位”可选择 MSB 先行还是 LSB 先行。

 2.2.4 整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个 SPI 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄 存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的 SPI 模式、波特率、LSB 先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改 “状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解 SPI 的工作 状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 SPI 中断信号、DMA 请求及控制 NSS 信号线。 实际应用中，我们一般不使用 STM32 SPI 外设的标准 NSS 信号线，而是更简单地使用 普通的 GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

2.3 通讯过程