一文教你彻底学会SPI协议

一.概况SPI

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。这里可以对比我写的另外一篇博客一文教你彻底学会IIC协议
1.信号线：SPI具有SCK，MOSI，MISO ,CS线 (区别于IIC只有CLK,SDA).。
2.寻址方式: SPI是通过CS片选信号来选择从机(IIC是通过寻址找到从设备)
3.通信速率：SPI速率较快（可达fPCLK/2），一般用于高速设备之间通信（区别于IIC）

二.SPI连接

2.1 一主一从

在“一主一从”的SPI互连方式下，只有一个SPI主设备和一个SPI从设备进行通信。这种情况下，只需要分别将主设备的SCK、MOSI、MISO和从设备的SCK、MOSI、MISO直接相连，并将主设备的SS置高电平，从设备的SS接地（即置低电平，片选有效，选中该从设备）即可。

2.2 一主多从

在“一主多从”的SPI互连方式下，一个SPI主设备可以和多个SPI从设备相互通信。这种情况下，所有的SPI设备（包括主设备和从设备）共享时钟线和数据线，即SCK、MOSI、MISO 3根线，并在主设备端使用多个GPIO引脚来选择不同的SPI从设备。

三.SPI通信过程

讲通信过程之前，先讲一下极性和相位。后面才能理解后序采样过程。

3.1 CPOL（极性）和CPHA（相位）

CPHA(时钟相位)位被清“0”，数据在SCK时钟的奇数（第1、3、5…个）跳变沿采样.
CPHA(时钟相位)位被置“1”，数据在SCK时钟的偶数（第2、4、6…个）跳变沿采样.
CPOL位为“0”时就是SCK在空闲时为0， CPOL位为“1”时就是SCK空闲时为1。
所以说，CPOL决定了第一个沿是上升沿还是下降沿。如果SCK空闲是为0，那第一个沿为上升沿。如果SCK空闲时为1，那第一个沿为下降沿。
那么总的来说，CPHA和CPOL决定了是上升沿采样还是下降沿采样。
所以总共有4种组合，决定了SPI有4种模式，总的表格如下：

3.2 SPI时序图

这是一个主机的通讯时序,我们以SPI模式0为例。 NSS、 SCK、 MOSI 信号都由主机控制产生，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。

3.1 SPI起始信号

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。

3.2 SPI停止信号

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。

3.3 数据的有效性

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， 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。

四.代码实例

这里以和Flash通信为例，下面是一个初始化代码

void SPI_FLASH_Init(void)
{
  SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	/* 使能SPI时钟 */
	RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE );
	
	/* 使能SPI引脚相关的时钟 
	1.片选引脚 2.SCK时钟引脚 3.MISO引脚 4.MOSI引脚 */
 	RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOA|
																	     RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
	
  /* 配置SPI的 CS引脚，普通IO即可 */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
  /* 配置SPI的 SCK引脚*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  /* 配置SPI的 MISO引脚*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  /* 配置SPI的 MOSI引脚*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  /* 停止信号 FLASH: CS引脚高电平*/
  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);

  /* SPI 模式配置 */
  // FLASH芯片 支持SPI模式0及模式3，据此设置CPOL CPHA
  SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//全双工模式
  SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;  //主机
  SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //8位
  SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;  //极性高
  SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;  //偶边沿
  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;   //软件控制
  SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4;  //速率4分频
  SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;  //高位先行
  SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;           //数据校验 --一般不需要
  SPI_Init(FLASH_SPIx , &SPI_InitStructure);      //初始化结构体

  /* 使能 SPI  */
  SPI_Cmd(SPI1 , ENABLE);
	
}