【STM32】SPI通信

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SPI 通信协议简介

I2C & SPI 对比

特点

同步 全双工

通信线

一主多从

如何确定引脚

硬件电路

SPI 典型电路 

注意： 

移位示意图

SPI 时序基本单元

起始条件

终止条件

交换一个字节

模式0

模式1

模式2

模式3

SPI 时序

发送指令

指定地址写 

指定地址读 

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SPI 通信协议简介

I2C & SPI 对比

• I2C：硬件上最少的通信线，软件上实现最多的功能，非常优雅，但是I2C 开漏+上拉电阻的电路结构，使得高电平驱动能力不高，低电平到高电平的上升沿，耗时长，限制了I2C的最大通信速率，I2C的标准模式只有100KHz的频率，快速模式也只有400KHz，高速模式3.4MHz（普及程度不高）
• SPI传输更快，设计简单粗暴，硬件开销大，通信线多，通信过程中，经常用通信浪费的现象

特点

• SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线
• 四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）
• 同步，全双工
• 支持总线挂载多设备（一主多从）

同步 全双工

同步：同步通信肯定要有时钟，SCK提供时钟信号，对照I2C总线，这个SCK，就相当于I2C的SCL数据线，两者作用相同

全双工：数据发送和数据接受单独各占一条线，MOSI和MISO就是分别用于发送和接收的两条线路

通信线

MOSI：主机输出，从机输入（主机向从机发送数据的线路）

MISO：主机输入，从机输出（主机从从机接收数据的线路）

这两条线相当于I2C的SDA数据线，I2C的SDA线兼具发送和接收，半双工

SPI是 一根发送线，一根接收线，全双工

一主多从

• SPI仅支持一主多从，不支持多主机，这点，SPI从功能上不如I2C强大
• I2C的一主多从：起始条件之后，主机必须先发送一个字节进行寻址，用来指定我要跟哪个设备进行通信，这里设计分配地址和寻址的问题
• SPI的一主多从：我打手一会，再开辟一条通信线，专门用来指定主机和哪个从机进行通信，就是SS（Slave Select），并且SS可能不止一条，需要找哪个从机，就控制哪个从机的SS线，输出低电平，取消控制就输出高电平

 SPI方便，但是得加钱，SPI就是任性

如何确定引脚

CLK就是SCK

DI引脚是MOSI，这个芯片接在STM32上，芯片是从机，STM32是主机，所以DI数据输入是从机的数据输入SI，对应接在主机的MO上，就是MOSI

另一个DO就是MISO，主机输入，从机输出

CS片选，就是SS从机选择线

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硬件电路

• 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
• 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
• 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入

SPI 典型电路 

注意： 

• 本图中，GND线没画，所有的GND要连接在一起，如果从机没有电源供电，还需要从主机接入VCC
• 主机一般都是STM32控制器，从机一般都是存储器、显示屏、通信模块、传感器...
• MOSI - 数据由主机流向从机
• MISO - 数据由从机流向主机 
• 片选芯片：主机想和哪个从机通信，就拉低那一条SS线；其他的从机SS都是高电平，都会保持沉默；只有主机和当前选中的从机进行通信，直至通信结束再将这一根SS置高电平。
• 输出引脚配置为推挽输出，驱动能力强，上升沿、下降沿都非常迅速，SPI信号变化的快，传输速度就会更高，一般都是MHz级别
• I2C并不是不想使用变化更快的推挽输出，而是I2C要实现半双工，经常要切换输入输出，另外I2C又要实现多主机的时钟同步和总线仲裁，这些功能都不允许I2C使用推挽输出，不然一个不小心电源就短路了，所以I2C选择了更多功能，放弃更强的性能
• SPI不支持多主机，SPI是全双工，输出引脚始终输出，输入引脚始终输入，基本不会冲突，所以SPI可以大胆使用率推挽输出模式
• 如果多个从机的MISO始终都是推挽输出，就会冲突，所以SPI协议里有一条规定——当从机的SS引脚为高电平时候（从机未被选中），这个从机的MISO必须为高阻态（相当于引脚断开，不输出任何电平），SS为低电平时候，MISO才允许变成推挽输出模式。这个变化都是在从机里进行的，我们写的是主机的程序，就不用管这个问题了。

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移位示意图

SPI一般都是高位先行，每来一个脉冲，主机和从机的移位寄存器就会向左移动一位

时钟源由主机提供

假设数据是这样的

这时，驱动时钟来一个上升沿，所有的位，都会左移一次

左边被移出去的一位都会放到数据线上，实际是放到了输出数据寄存器里如下图所示：

MOSI是高电平，MISO是低电平

这时候再来一个下降沿，主机和从机都会进行数据采样输入，采集数据高低电平，所以MOSI的1，被采集到从机里，MISO的0被采集到主机里，如下图所示：

再来一个上升沿

再来一个下降沿

第三个时钟结束...

8个时钟之后，实现了主机和从机一个字节的数据交换

这就是SPI字节交换的示意图

效果：发送同时接收

如果只想发送，不想接收，就忽视接收到的数据；

如果只想接收，不想发送，就随便发送一个字节数据（一般是0x00或0xFF），把从机数据置换过来即可。

这个动画，江科大真的是YYDS

以上就是SPI的基本原理，总结一下就是：SPI的基础是交换一个字节，这样就可以实现发送一个字节、接收一个字节、发送同时接收一个字节，

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SPI 时序基本单元

起始条件

SS从高电平切换到低电平

终止条件

SS从低电平切换到高电平

下面就是数据传输的基本单元，建立在移位模型的基础上

这个基本单元什么时候开始移位？是上升沿移位还是下降沿移位？都是可以配置的，SPI没有限定死，给我们更多选择的空间，SO，SPI可以兼容更多的芯片了

我们可以配置 CPOL时钟极性、CPHA时钟相位，每一位可以配置为1或0，总共有4种模式（模式0、模式1、模式2、模式3）

交换一个字节

模式0

• CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

这里注意MISO，在SS高电平期间，都是高阻态，并没有数据交换 

模式0：在第0个边沿移出数据，在第1个边沿移入数据，模式0比模式1的相位要提前（相当于SS下降沿就移出数据、SCk上升沿就采样输入数据）

下一个字节的Bit7会露个头 ，实际应用中，模式0最多

模式1

• CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

模式2

• CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
• CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

模式2和模式0可以对比来看，就是SCK的极性取反，剩下的都一样 

模式3

• CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
• CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

模式1和模式3的区别也是，SCK极性相反

注意：

• CPHA只能决定是第几个边沿采样，并不能确定是上升沿还是下降沿，还需要参考CPOL的电平。
• 如果CPOL=0，就是上升沿（1）和下降沿（2）；
  如果CPOL=1，就是下降沿（1）和上升沿（2）。
• 模式0和模式3都是SCK上升沿采样；模式1和模式2都是SCK下降沿采样

SPI 时序

发送指令

向SS指定的设备，发送指令（0x06）

主机发送0x06给从机（W25Q64），这个指令是写使能

指定地址写 

向SS指定的设备，发送写指令（0x02）

随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）

指定地址读 

向SS指定的设备，发送读指令（0x03）

随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）