浅谈SPI总线通讯协议

SPI

SPI:串行外围设备接口(Serial peripheral interface)，一种高速， 全双工、同步的通信总线。

SPI使用4条线通信：
MISO：主设备数据输入，从设备数据输出，从设备发送数据。
MOSI：主设备数据输出，从设备数据输入，主设备发送数据。
SCLK：时钟信号，由主设备产生，用于同步数据传输。
CS：从设备片选信号，由主设备控制，选择需要通信的从设备。

外设的读操作和写操作是同步完成的。
主设备和从设备都有一个串行移位寄存器，主设备写入一个字节到串行寄存器来发起一次传输，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

若只进行写操作，主机需要忽略接收到的字节。
若只进行读操作，主机必须发送一个空字节来引发从机的传输。
有三种连接模式：单主单从模式、单主多从模式、菊花链模式。

SPI时钟的相位和极性的不同组合
一共有4种不同的触发传输方式
CPOL控制电平状态。为1时，空闲状态为高电平；为0时，空闲状态为低电平。
CPHA控制相位。
为1时，第二个边沿触发。CPOL为1时，上升沿触发；CPOL为0时，下降沿触发。
为0时，第一个边沿触发。CPOL为1时，下降沿触发；CPOL为0时，上升沿触发。


下面以STM32F407和外部flash(W25Q128)SPI通信传输数据为例

SPI配置

//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		 
} 

SPI读写一个字节

//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			    
}

W25Q128初始化

//4Kbytes为一个Sector
//16个扇区为1个Block
//W25Q128
//容量为16M字节,共有256个Block,4096个Sector 
													 
//初始化SPI FLASH的IO口
void W25QXX_Init(void)
{ 
	 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
	
	 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟
	 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);//使能GPIOG时钟
	
	//GPIOB14
	 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;//PB14  片选引脚
	 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//输出
	 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_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;//PG7
	 GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);//初始化
	
	GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);//PG7输出1,防止NRF干扰SPI FLASH的通信  SPI上还挂载着NRF 不止flash一个设备
	
	
	W25QXX_CS=1;			//SPI FLASH不选中
	SPI1_Init();		   			//初始化SPI
	
//SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_4);		//设置为21M时钟
//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_4));//判断有效性
	SPI1->CR1&=0XFFC7;//位3-5清零，用来设置波特率
	SPI1->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler_4;	//设置SPI1速度 
	SPI_Cmd(SPI1,ENABLE); //使能SPI1
	//} 
	W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID();	//读取FLASH ID.
} 

读取SPI FLASH

//在指定地址开始读取指定长度的数据
//pBuffer:数据存储区
//ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
//NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   
{ 
 	u16 i;   										    
	W25QXX_CS=0;                            //使能器件   
	SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadData);         //发送读取命令  芯片手册有指令
	SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16));  // 第一次是高八位 发送24bit地址  16M字节编址的地址为24位即可
	SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));   //u8强制类型转换后取中八位
	SPI1_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);   			//低八位地址
	for(i=0;i<NumByteToRead;i++)
	{ 
		pBuffer[i]=SPI1_ReadWriteByte(0XFF);   //循环读数  SPI发送0xFF 并接收外设的数据
  }
	W25QXX_CS=1;  				    	      
}  

写SPI FLASH

//在指定地址开始写入指定长度的数据
//该函数带擦除操作!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)						
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)   
u8 W25QXX_BUFFER[4096];		 
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{ 
	u32 secpos;
	u16 secoff;
	u16 secremain;	   
 	u16 i;    
	u8 * W25QXX_BUF;	  
  W25QXX_BUF=W25QXX_BUFFER;	 
	
 	secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址    找到是哪一个扇区 扇区数=256块*16个扇区
	secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移  每个扇区4096个地址 求余数找到偏移量
	secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小   
 	//printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用
	
 	if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//若写入的字节数比扇区剩余空间小  则赋值
	while(1) 
	{	
		W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//事先读出整个扇区的内容保存到W25QXX_BUF中
		//编程即写数据，由于Flash的特性，只能从1编程0，所以写数据之前Flash里面的数据不是0xFF就必须先擦除，然后才能写数据。
		//擦除即将Flash里面的数据恢复为0xFF的过程。
		for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据  	在读出的扇区的数组(复制的那一份)W25QXX_BUF校验是否有数据
		{
			if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//若数据不是默认0xFF(全为1)则证明有数据，需要擦除  	  
		}
		if(i<secremain)//需要擦除
		{
			W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区
			for(i=0;i<secremain;i++)	   //复制
			{
				W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];	  
			}
			W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区  

		}
		//不需要擦除
		else W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间. 				   
		if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了(跨扇区)
		else//写入未结束
		{
			secpos++;//扇区地址增1
			secoff=0;//偏移位置为0 	 

		  pBuffer+=secremain;  //指针偏移
			WriteAddr+=secremain;//写地址偏移	   
		   NumByteToWrite-=secremain;				//字节数递减
			if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;	//下一个扇区还是写不完
			else secremain=NumByteToWrite;			//下一个扇区可以写完了
		}	 
	}	 
}