stm32 模拟spi

目录

简介

spi物理层

连接方式

框图

协议层：

数据处理

传输模式

模式0

起始和停止信号

 发送和接收数据

模式1

模式2 

模式3

总结

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简介

spi物理层

        SPI（ Serial Peripheral Interface， 串行外设接口）是一种全双工同步串行通信接口，它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，通信速度最高可达25MHz以上。SPI 总线具有三种传输方式：全双工、单工以及半双工传输方式。

        SPI通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（ Master Output Slave Input， MOSI），一条主设备输入与从设备输出（ Master Input Slave Output， MISO），一条时钟信号（ Serial Clock， SCLK），一条从设备使能选择（ Chip Select， CS）。与I²C类似，也可以使用GPIO模拟SPI时序

        SPI可以同时发出和接收数据，因此SPI的理论传输速度比I²C更快。 SPI通过片选引脚选择从机，一个片选一个从机，因此在多从机结构中，需要占用较多引脚，而I²C通过设备地址选择从机，只要设备地址不冲突，始终只需要两个引脚

连接方式

 

        CS片选线：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、 SS，无论有多少个从设备，都共同只使用这 3 条总线；而每个从设备都有独立的这一条 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。当主机要选择从设备时，把该从设备的 CS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，为开始信号；被拉高作为结束信号

        SCK ：时钟信号线，用于通讯数据同步，两个设备之间通讯，速率受限于低速设备

        MOSI：主设备输出/从设备输入引脚，即这条线上数据的方向为主机到从机

        MISO：主设备输入/从设备输出引脚，即在这条线上数据的方向为从机到主机

框图

        ①STM32F10x芯片有3个 SPI 外设，SPI1 是 APB2 上的设备，最高通信速率达 36Mbtis/s， SPI2、 SPI3 是 APB1 上的设备，最高通信速率为 18Mbits/s，除了通讯速率，在其它功能上没有差异。因为SPI3 用到了下载接口的引脚，这几个引脚默认功能是下载，第二功能才是 IO 口，如果想使用 SPI3 接口，则程序上必须先禁用掉这几个 IO 口的下载功能。

        ②波特率发生器根据“控制寄存器 CR1”中的 BR[0:2] 位控制，对 fpclk 的分频结果就是 SCK 引脚的输出时钟频率

         配置“控制寄存器 CR”的“CPOL 位”及“CPHA”位可以把 SPI 设置成的 4 种 SPI模式，后续在协议层分析

        ③通过写 SPI 的“数据寄存器 DR”把数据填充到发送缓冲区中，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 （高位）先行还是 LSB（低位） 先行

        ④：负责协调整个 SPI 外设，工作模式根据配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，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。

        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。也就是用模拟方式拉低拉高片选信号

协议层：

数据处理

        在SCK时钟周期的驱动下， MOSI和MISO同时进行，数据输入输出是同时进行的

         主机和从机都有一个移位寄存器，主机移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从机的移位寄存器，此时从机移位寄存器的数据也通过MISO传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换，外设的写操作和读操作是同步完成的。无论主机还是从机，发送和接收都是同时进行的，如同一个“环”
        如果主机只对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主机要读取从机数据，需要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。

传输模式

        CPOL（ Clock Polarity，时钟极性） 表示SCK在空闲时为高电平还是低电平。 当CPOL=0， SCK空闲时为低电平， 当CPOL=1， SCK空闲时为高电平。
        CPHA（ Clock Phase，时钟相位） 表示SCK在第几个时钟边缘采样数据。 当CPHA=0， 在SCK第一个边沿采样数据，当CPHA=1， 在SCK第二个边沿采样数据 

        实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”

模式0

        CPOL=0&&CPHA=0 的时序如下图，可以看到串行时钟的奇数边沿上升沿采样：

CPOL=0：看到对应时序中当数据未发送或者发送完毕， SCL 的状态是低电平；

CPHA=0：即是奇数边沿（第一个边沿）采集，可以看到传输的数据会在奇数边沿上升沿被采集；

MOSI和 MISO ：数据的有效信号需要在 SCK 奇数边沿保持稳定且被采样，在非采样时刻（下降沿）， MOSI 和MISO 的有效信号才发生变化

模式0

起始和停止信号

         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，就知自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。

void spi_start(void)
{
    /*片选线高电平拉低*/
    ctrl_cs(0);
}

        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

void spi_stop(void)
{
    /*片选线低电平拉高*/
    ctrl_cs(1);
}

 发送和接收数据

/*数据交换（收发）*/
uint8_t spi_swap_byte(uint8_t byte_send)
{
    uint8_t i,byte_receive = 0x00;
    for(i=0;i<8;i++)
    {
        /*开始sck默认低电平，现在就可以交换数据*/
        ctrl_mosi(byte_send & (0x80 >> i));/*通过控制对应的GPIO进行高位先发*/
        ctrl_sck(1);/*控制对应的GPIO拉高sck读取数据*/
        if(1 == read_miso())/*读取对应的GPIO接收数据*/
        {
            byte_receive |= (0x80 >> i);
        }
        ctrl_sck(0);/*拉低时钟结束*/
    }
    return byte_receive;/*交换得到的数据*/
}

模式1

        CPOL=0&CPHA=1 的时序如下图，串行时钟的偶数边沿下降沿采样：

CPOL=0：所以 SCL 的空闲状态依然是低电平

CPHA=1： 数据就从偶数边沿（第二个边沿）采样，下降沿

模式1

模式2 

         CPOL=1&&CPHA=0 的时序如下图

CPOL=1：SCL 空闲状态为高电平

CPHA=0：奇数边沿采样的情况下，数据在奇数边沿下降沿要保持稳定并等待采样

模式2

模式3

          CPOL=1&&CPHA=1 的时序如下图

CPOL=1：SCL状态是高电平,奇数边沿的边沿极性是上升沿,偶数边沿的边沿极性是下降沿
CPHA=1：数据在偶数边沿上升沿被采样。

在奇数边沿的时候 MOSI 和 MISO 会发生变化，在偶数边沿时候是稳定的。

总结

        先看CPHA，时钟相位为0，第一个（奇）边沿采样；为1，第二个（偶）边沿采样；再看CPOL，时钟极性为0，说明空闲的时候是低电平，低电平第一个采样信号肯定是拉高，由此判断是上升沿还是下降沿采样；同理时钟极性为1，说明空闲的时候是高电平，高电平第一个采样信号肯定是拉低，由此判断是上升沿还是下降沿采样