通讯协议(2)—— SPI

  • 小结关于spi的内容,附TM4C & stm32配置代码

一、SPI简介

  • 这里直接照搬正点原子的介绍词:SPI,是英语Serial Peripheral interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议

  • spi是一种串行设备,需要时钟信号控制着数据传输。设备间有主机和从机之分,从机的时钟信号只能来自主机,因此主机必须存在

  • spi有四根连接线线“:MOSI是从机到主机的信号传输; MOSI是主机到从机的信号传输;SCLK是时钟线,控制数据传递过程;CS是片选线,主机通过它选定通讯对象,这允许一主多从连接

  • spi协议允许信号一位一位传输

  • spi的数据输入和输出线独立,所以允许同时完成数据的输入和输出。事实上这是一个数据交换协议,主从双方各有一个移位寄存器,主机向其移位寄存器传送一个数据来启动一次传输。主从机移位寄存器中的一个数据通过 MOSIMISO交换。因此如果想只读或只写一个数据,都需要传输无效数据,无效数据在收到后应被忽略
    通讯协议(2)—— SPI_第1张图片

  • spi的缺点:没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据

二、硬件连接

  • spi有四根连接线
  1. SDO / MOSI:主机输出,从机输入
  2. SDI / MISO:主机输入,从机输出
  3. SCK / SCLK:时钟信号(由主机控制
  4. CS:从设备使能信号,即片选信号(由主机控制
  • 一主一从连接
    通讯协议(2)—— SPI_第2张图片
  • 一主多从连接
    通讯协议(2)—— SPI_第3张图片

三、四种工作模式的时序

  • 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。可配置的两个位为:
作用 描述
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,对传输协议没有重大的影响
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
  • 就像前面那个动图显示的,SPI是一个环形总线结构,无论哪种工作方式,都可以看作是在sck的控制下,两个双向移位寄存器进行数据交换。
  • 根据配置,当sck的某个边沿到来时,主从双方移位寄存器中高位的值被采样到线上,寄存器移动一位,最低位暂时悬空,当下一个紧接着的边沿边沿到来时,线上的数据传送到双方移位寄存器低位,从而完成数据交换

(1)工作方式1

  • CPHA=0,CPOL=0;总线空闲为低电平,在SCK第一个跳变沿采样
  • 时序图: 通讯协议(2)—— SPI_第4张图片

(2)工作方式2

  • CPHA=0,CPOL=1;总线空闲为高电平,在SCK第一个跳变沿采样
  • 时序图:
    通讯协议(2)—— SPI_第5张图片

(3)工作方式3

  • CPHA=1,CPOL=0;总线空闲为低电平,在SCK第二个跳变沿采样
  • 时序图:
    通讯协议(2)—— SPI_第6张图片

(4)工作方式4

  • CPHA=1,CPOL=1;总线空闲为高电平,在SCK第二个跳变沿采样
  • 时序图:
    通讯协议(2)—— SPI_第7张图片

(5)注意

  • 在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求,因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的
  • 注意主SDO连接从SDI,主SDO的极性和从SDI相反,和从SDO相同。例如:从设备在时钟上升沿接收数据,则主设备应在下降沿输出数据

四、spi示例代码

(1)stm32f4标准库版本

  • 来自正点原子探索者例程
  • stm32作为主机,配置流程为:
  1. 配置相关引脚复用功能,使能spi时钟
  2. 初始化spi,配置spi工作模式
  3. 使能spi SPI_Cmd()
  4. 利用spi传输数据 SPI_I2S_SendData()SPI_I2S_ReceiveData()
  5. 查看spi状态 SPI_I2S_GetFlagStatus()
  • 以下为正点原子的代码
//以下是SPI模块的初始化代码,配置成主机模式 						  
//SPI口初始化
//这里针是对SPI1的初始化
void SPI1_Init(void)
{	 
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
	
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);				//使能GPIOB时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);				//使能SPI1时钟
 
  //GPIOFB3,4,5初始化设置
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;	//PB3~5复用功能输出	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;						//复用功能
  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;					//推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;				//100MHz
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;						//上拉
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);							//初始化
	
	GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_SPI1);			//PB3复用为 SPI1
	GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource4,GPIO_AF_SPI1); 			//PB4复用为 SPI1
	GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_SPI1); 			//PB5复用为 SPI1
 
	//这里只针对SPI口初始化
	RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);				//复位SPI1
	RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,DISABLE);			//停止复位SPI1

	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; 		//设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;							//设置SPI工作模式:设置为主SPI
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;						//设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;								//串行同步时钟的空闲状态为高电平
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;							//串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;								//NSS信号(CS)由硬件(NSS管脚)还是软件(使用SSI位)管理:内部NSS信号有SSI位控制
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;	//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;						//指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;								//CRC值计算的多项式
	SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);  									//根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
 
	SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); 			//使能SPI外设
	SPI1_ReadWriteByte(0xff);		//启动传输		 
}   

//SPI1速度设置函数
//SPI速度=fAPB2/分频系数
//@ref SPI_BaudRate_Prescaler:SPI_BaudRatePrescaler_2~SPI_BaudRatePrescaler_256  
//fAPB2时钟一般为84Mhz:
void SPI1_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{
	assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));	//判断有效性
	SPI1->CR1&=0XFFC7;												//位3-5清零,用来设置波特率
	SPI1->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler;								//设置SPI1速度 
	SPI_Cmd(SPI1,ENABLE); 											//使能SPI1
} 

//SPI1 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData)
{		 			 
 
  	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){}	//等待发送区空  
	
	SPI_I2S_SendData(SPI1, TxData);				 						//通过外设SPIx发送一个byte  数据
		
  	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){} 	//等待接收完一个byte  
 
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);							 		//返回通过SPIx最近接收的数据	
 		    
}

(2)TM4C123版本

  • 来自匿名拓空者飞控源码
  • TM4C的封装度比stm32高一些,不过spi配置使用流程基本一样的
void Drv_Spi0Init(void)
{	
	ROM_SysCtlPeripheralEnable( SYSCTL_PERIPH_SSI0 );
	ROM_SysCtlPeripheralEnable(SPI0_SYSCTL);
	/*配置IO口*/	
	ROM_GPIOPinTypeSSI(SPI0_PROT,SPI0_CLK_PIN|SPI0_RX_PIN|SPI0_TX_PIN);
	ROM_GPIOPinConfigure(SPI0_CLK);	
	ROM_GPIOPinConfigure(SPI0_RX);
	ROM_GPIOPinConfigure(SPI0_TX);
	/* SSI配置 模式3(Polarity = 1 Phase = 1) 主设备模式 速率1MHz 数据长度8位*/
	ROM_SSIConfigSetExpClk(SPI0_BASE, ROM_SysCtlClockGet(), SSI_FRF_MOTO_MODE_3,  SSI_MODE_MASTER, 10000000,  8);
	/*开启SSI0*/
	ROM_SSIEnable(SPI0_BASE);
}
 
/* SPI读写函数 */
uint8_t Drv_Spi0SingleWirteAndRead(uint8_t SendData)
{
    uint32_t ui_TempData;
    uint8_t uc_ReceiveData;
    /* 向SSI FIFO写入数据 */
    ROM_SSIDataPut(SPI0_BASE, SendData);
    /* 等待SSI不忙 */
    while(ROM_SSIBusy(SPI0_BASE));
    /* 从FIFO读取数据 */
    ROM_SSIDataGet(SPI0_BASE, &ui_TempData);
    /* 截取数据的低八位 */
    uc_ReceiveData = ui_TempData & 0xff;
    return uc_ReceiveData;
}
 
void Drv_Spi0Transmit(uint8_t *ucp_Data, uint16_t us_Size)
{
    uint16_t i = 0;
    /* 连续写入数据 */
    for(i = 0; i < us_Size; i++)
    {
        Drv_Spi0SingleWirteAndRead(ucp_Data[i]);
    }
}
 
void Drv_Spi0Receive(uint8_t *ucp_Data, uint16_t us_Size)
{
    uint16_t i = 0;
    /* 连续读取数据 */
    for(i = 0; i < us_Size; i++)
    {
        ucp_Data[i] = Drv_Spi0SingleWirteAndRead(0xFF);
    }
}

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