STM32常用协议之SPI协议详解

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SPI协议简介

SPI 全称是 Serial Perripheral Interface，也就是串行外围设备接口。 SPI 是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工的同步通信总线， SPI 时钟频率相比 I2C 要高很多，最高可以工作在上百 MHz。 SPI 以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，一般 SPI 需要4 根线，但是也可以使用三根线(单向传输)。该通信方式主要广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间，适用于对通信速率要求较高的场合。

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一、SPI物理层

1. CS/SS(Slave Select/Chip Select)，常称为片选信号线。当多个SPI从设备与SPI主机相连时，设备的其他信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同使用这3条总线；但值得注意的是：每个从设备都有独立的一条NSS信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。区别于IIC协议通过设备地址进行寻址，从而完成与总线上某个设备进行通信方式的不同，SPI协议中没有设备地址，而是使用片选信号线来寻址，当主机要选择从设备时，通常情况下把该设备的片选信号线设置为低电平，从而使得该设备被选中，即片选有效，这样主机便和从设备之间建立通信。
2. SCK(Serial Clock)，时钟信号线，用于通信数据同步，通常由主机产生，但不同设备支持的通信速率不一致，而且值得注意的是：两设备之间通信时，通信速率受限于低速设备。
3. MOSI/SDO(Master Out Slave In/Serial Data Output)，主设备输出/从设备输入引脚，这根数据线只能用于主机向从机发送数据。
4. MISO/SDI(Master In Slave Out/Serial Data Input)，主设备输入/从设备输出引脚，这根数据线只能用户从机向主机发送数据。

二、SPI协议层

2.1 SPI基本通信过程

上图为SPI的主机通讯时序，NSS、SCK和MOSI信号都由主机控制，而MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。

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2.2 通信的起始和终止信号

• 起始信号：NSS信号由高变低，即为SPI通讯的起始信号；
• 终止信号：NSS信号由低变高，即为SPI通讯的终止信号；

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2.3 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【全双工】。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MSB 先行模式。

观察上图中的标号2-5处，可知MOSI及MISO的数据在在 SCK 的上升沿期间变化输出【触发】，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。

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2.4 CPOL/CPHA及通信模式

SPI的四种通讯模式，主要区别是总线空闲时，SCK的时钟状态及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”的概念。

• 时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号（即：SPI通讯开启前，NSS线为高电平时SCK的状态）。CPOL=0时，SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1时，则相反。
• 时钟相位CPHA是指数据的采样时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样。当CPHA=1时，数据线在SCK的“偶数边沿”采样。

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CPHA=0的时序图：

首先，根据 SCK 在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。这里，无论CPOL=0还是=1，因为我们配置的时钟相位CPHA=0，在途中可以看到，采样时刻都是在SCK的奇数边沿。注意当CPOL=0的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而当CPOL=1时，时钟的奇数边沿则为下降沿，所以SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。而是因为无论是MOSI还是MISO数据线的有效信号在SCK的奇数边沿保持不变，故数字信号将在SCK奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和MISO的有效信号才发生切换。

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CPHA=1的时序图

由上图可知，不受CPOL的影响，MOSI及MISO数据有效信号在SCK的偶数边沿保持不变，故数据信号在SCK的偶数边沿被采样。

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SPI的四种工作模式，实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”，但值得注意的是：主机与从机需工作在相同的模式下才可以正常通讯。

三、编程实现

// Reference to 正点原子的代码
void SPI2_Init(void)
{
 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB时钟使能 
	RCC_APB1PeriphClockCmd(	RCC_APB1Periph_SPI2,  ENABLE );//SPI2时钟使能 	
 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //PB13/14/15复用推挽输出 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB

 	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);  //PB13/14/15上拉

	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(SPI2, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
 
	SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //使能SPI外设
	
	SPI2_ReadWriteByte(0xff);//启动传输		 
} 

四、实践分析

通过在想FLASH中分别写入数字5和字符A后读出，然后通过逻辑分析仪进行观察分析。

• 数字5
  OLED显示：
  

逻辑分析仪显示：

• 字符A

• OLED显示
  

• 逻辑分析仪显示
  
  这里，箭头所指的‘00’是指，字符串结束标志’\0’。
  

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由FLASH手册及逻辑分析仪数据读取的截图可知，主机发送读取指令03H，接下来发送3字节地址信息【FF FF 9C】，然后再进行数据读取。

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总结

1. SPI协议是高速全双工的同步通信协议；
2. 要注意SPI四种时序的区分，只在信号稳定期进行采样；
3. 协议贵在实践，而非梳理，梳理只是为了简要理解协议形成大体框架而已；