基于STM32的经验分享—SPI详解

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攻城狮Melo 发布时间：2023-3-18 15:39

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文章简介:	基于STM32的经验分享—SPI详解

一.什么是SPI
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，SPI是一种高速、全双工、同步通信的通信总线，被广泛应用在ADC、LCD等与MCU的通信过程中，特点就是快。

二.SPI协议
就像IIC、串口一样，SPI也有其通信协议，我们一般按照分层的思想来学习SPI的协议，主要分为物理层和协议层。

物理层
首先看一下SPI通信设备之间的常用连接方式，主机和从机之间通过三条总线和片选线组成：

NSS：片选设备线，每个从机都有自己的一条单独的总线与主机连接，此总线的作用就是为主机选择对应的从机进行传输数据，每个从机与主机之间的NSS总线互不相干。SPI中规定通信以NSS信号线拉低为开始，拉高为结束。
SCK：时钟信号线，因为SPI是同步通信，所以需要一根时钟信号线来统一主机和从机之间的数据传输，只有在有效的时钟信号下才能正常传输数据，不同设备支持的最高传输频率可能不一样，在传输过程中传输频率受限于低速的一方。
MOSI：(Master Output， Slave Input），顾名思义，MOSI就是主机输出/从机输入，因为SPI是全双工的通信总线，即主机和从机可以同时收发数据，这样的话就需要俩条线同时分别负责：主->从和从->主这俩条传输线路。而MOSI就专门负责主机向从机传输数据。
MISO：(Master Input,， Slave Output)，与MOSI恰恰相反，MISO专门负责从机向主机传输数据。

协议层
和IIC一样，SPI协议层规定了传输过程中的起始信号和停止信号、数据有效性、时钟同步、通讯模式，接下来依据通讯时序图来剖析协议层的内容。

1.通讯时序图
如图所示是SPI的一种通信模式下的时序图：

所有的运作都是基于SCK时钟线的，SCK对于SPI的作用就像心脏对于人体的作用，SCK为低电平就代表心脏停止跳动。

2.起始和停止信号
前面物理层说过，SPI通讯的起始和停止由NSS信号线控制，当NSS为低电平时代表起始信号，当NSS为高电平时代表停止信号。时序图中1和6部分代表起始信号和停止信号。

3.数据有效性
SPI中使用MOSI和MISO来进行全双工传输数据，SCK来同步数据传输，即MOSI和MISO同时工作，在时钟信号线SCK为有效时对MOSI、MISO数据线进行采样，采到的信息即为传输的信息。IIC中通讯中的数据是在SCL总线为高电平时对数据采样，SPI中数据的采样是在SCK的上升沿或下降沿时进行的。图示模式中3和5部分就是对数据进行采样的时刻，可以看出图示中数据是在SCK的下降沿进行采样的。MOSI和MISO的高低电平代表了1和0。

4.通讯模式
SPI有四种通讯模式，他们的主要依靠总线空闲时SCK的时钟状态和数据采样时刻来区别。这里就涉及到时钟极性CPOL和时钟相位CPHA的知识。
时钟极性CPOL：CPOL是指NSS总线空闲时SCK的电平信号，如果SCK为高电平，CPOL=1；SCK为低电平，CPOL=0。下面的这种情况CPOL=0.

时钟相位CPHA：CPHA是指数据的采样时刻，SCK的信号可以看作方波，CPHA=0时会在SCK的奇数边沿采样；CPHA=1时会在SCK的偶数边沿采样。
如图：NSS空闲时SCK为低电平，而且在SCk的下降沿（也就是第二个边沿）采样，所以这种通讯模式下CPOL=0，CPHA=1.

四种通讯模式：所以，根据CPOL和CPHA的搭配可以得出四种不同的通讯模式，如下：

三.STM32中的SPI
简介
STM32中集成了专门用于SPI通讯的外设。支持最高的 SCK 时钟频率为 fpclk/2
(STM32F103 型号的芯片默认 fpclk1为 72MHz， fpclk2为 36MHz)，完全支持 SPI 协议的 4 种模式，数据帧长度可设置为 8 位或 16 位，可设置数据 MSB 先行或 LSB 先行。它还支持双线全双工、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用 MOSI 及 MISO 数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。

功能框图

STM32中SPI外设的功能框图可以大体分为四部分，对应的1、2、3、4分别是：通讯引脚、时钟控制逻辑、数据控制逻辑、整体控制逻辑，下面进行一一分析。

1.通讯引脚
STM32中有多个SPI外设，这些SPI的MOSI、MISO、SCK、NSS都有对应的引脚，在使用相应的SPI时必须配置这些对应的引脚，STM32中的三个SPI外设的引脚分布情况如下：

根据他们的引脚分布知道SPI1是挂载在APB2总线上的，SPI2和SPI3挂载在APB1总线上，这挂载在不同的总线上的主要区别就是，APB1和APB2总线的时钟频率不同，导致三个SPI的通讯速率收到总线时钟频率的影响。而且SPI3的引脚的默认功能是下载，如果要使用SPI3，必须禁用这几个口的下载功能。

2.时钟控制逻辑
这一块的内容主要是配置SCK的时钟频率和SPI的通讯模式（CPOL和CPHA）。
时钟频率的配置：
波特率发生器通过控制“控制寄存器CR1”中的BR[2:0]三个位来配置fpclk的分频因子，对fpclk分频后的频率就是SCK的时钟频率，具体配置如下图所示：

（PS：fpclk为对应SPI挂载总线的时钟频率）
通讯模式的配置：
通过配置“控制寄存器CR”中的CPOL位和CPHA位将通讯模式配置为上文所说的四种模式之一。

3.数据控制逻辑
这部分主要控制数据的接收和发送以及数据帧格式和MSB/LSB先行，和串口通讯类似，SPI的收发数据也是通过缓冲区和移位寄存器来实现的。MOSI和MISO都与移位寄存器相连以便传输数据，下面具体说明一下主机发送数据和接收数据的流程。当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器 SR”中的“TXE 标志位”会被置 1，表
示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地，当接收完一帧数据的时候，“ RXNE
标志位”会被置 1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；
发送数据：
地址和数据总线会在相应的地址上取到要发送的数据，将数据放入发送缓冲区，当向外发送数据时，移位寄存器会以发送缓冲区为数据源，一位一位的将数据发送出去。
接收数据：
接收数据时，移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位的传到接收缓冲区，再由总线读取接收缓冲区中的数据。
数据帧格式：
通过配置“控制寄存器CR1”的“DFF为”可以控制数据帧格式为8位还是16位，即一次接收或发送数据的大小。
先行位：
通过配置“控制寄存器CR1”的“LSBFIRST 位”可选择 MSB（最高有效位）先行还是 LSB（最低有效位）先行。

4.整体逻辑控制
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。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 SPI 中断信号、DMA 请求及控制NSS 信号线，不过NSS信号线我们时一般是连接GPIO口，通过软件来控制电平输出，从而产生起始信号和停止信号。

初始化结构体
库函数编程中几乎每一个外设的灵魂部分就是其初始化结构体了，初始化结构体中包含了外设运作的状态、工作模式、对象等重要信息，配置好初始化结构体后，通过初始化函数将初始化结构体中的信息写入相应的寄存器中。SPI外设的初始化结构体如下：

typedef struct
{
uint16_t SPI_Direction; /*设置 SPI 的单双向模式 */
uint16_t SPI_Mode; /*设置 SPI 的主/从机端模式 */
uint16_t SPI_DataSize; /*设置 SPI 的数据帧长度，可选 8/16 位 */
uint16_t SPI_CPOL; /*设置时钟极性 CPOL，可选高/低电平*/
uint16_t SPI_CPHA; /*设置时钟相位，可选奇/偶数边沿采样 */
uint16_t SPI_NSS; /*设置 NSS 引脚由 SPI 硬件控制还是软件控制*/
uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; /*设置时钟分频因子， fpclk/分频数=fSCK */
uint16_t SPI_FirstBit; /*设置 MSB/LSB 先行 */
uint16_t SPI_CRCPolynomial; /*设置 CRC 校验的表达式 */
} SPI_InitTypeDef;

复制代码

这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在 STM32 标准库中定义的宏：
(1) SPI_Direction
本成员设置 SPI 的通讯方向，可设置为双线全双工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，双线只接(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，单线只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、单线只发送模(SPI_Direction_1Line_Tx)。
(2) SPI_Mode
本成员设置 SPI 工作在主机模式(SPI_Mode_Master)或从机模式(SPI_Mode_Slave )，这两个模式的最大区别为 SPI 的 SCK 信号线的时序， SCK 的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式， STM32 的 SPI 外设将接受外来的 SCK 信号。
(3) SPI_DataSize
本成员可以选择 SPI 通讯的数据帧大小是为 8 位(SPI_DataSize_8b)还是 16 位
(SPI_DataSize_16b)。
(4) SPI_CPOL 和 SPI_CPHA
这两个成员配置 SPI 的时钟极性 CPOL 和时钟相位 CPHA，这两个配置影响到 SPI 的通讯模式，时钟极性 CPOL 成员，可设置为高电平(SPI_CPOL_High)或低电平(SPI_CPOL_Low )。时钟相位 CPHA 则可以设置为 SPI_CPHA_1Edge(在 SCK 的奇数边沿采集数据) 或SPI_CPHA_2Edge (在 SCK 的偶数边沿采集数据) 。
(5) SPI_NSS
本成员配置 NSS 引脚的使用模式，可以选择为硬件模式(SPI_NSS_Hard )与软件模式(SPI_NSS_Soft )，在硬件模式中的 SPI 片选信号由 SPI 硬件自动产生，而软件模式则需要我们亲自把相应的 GPIO 端口拉高或置低产生非片选和片选信号。实际中软件模式应用比较多。
(6) SPI_BaudRatePrescaler
本成员设置波特率分频因子，分频后的时钟即为 SPI 的 SCK 信号线的时钟频率。这个成员参数可设置为 fpclk 的 2、 4、 6、 8、 16、 32、 64、 128、 256 分频。
(7) SPI_FirstBit
所有串行的通讯协议都会有 MSB 先行(高位数据在前)还是 LSB 先行(低位数据在前)的问题，而 STM32 的 SPI 模块可以通过这个结构体成员，对这个特性编程控制。
(8) SPI_CRCPolynomial
这是 SPI 的 CRC 校验中的多项式，若我们使用 CRC 校验时，就使用这个成员的参数(多项式)，来计算 CRC 的值。

初始配置函数

void SPI_Config(void)
{
/* 初始化SPI和相对应的GPIO口 */
SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
/* 打开SPI1和GPIOA的时钟 */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
/* 将NSS配置为普通推挽模式 SCK、MISO、MOSI配置为复用推挽模式 */
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = SPI_SCK_GPIO_MODE;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_SCK_GPIO_PIN;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = SPI_SCK_GPIO_SPEED;
GPIO_Init(SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = SPI_MOSI_GPIO_MODE;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_MOSI_GPIO_PIN;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = SPI_MOSI_GPIO_SPEED;
GPIO_Init(SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = SPI_MISO_GPIO_MODE;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_MISO_GPIO_PIN;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = SPI_MISO_GPIO_SPEED;
GPIO_Init(SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = SPI_NSS_GPIO_MODE;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SPI_NSS_GPIO_PIN;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = SPI_NSS_GPIO_SPEED;
GPIO_Init(SPI_NSS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
/* 配置SPI为四分频、SCK空闲高电平、偶数边沿采样、8位数据帧、MSB先行、软件NSS、双线全双工模式,SPI外设为主机端 */
SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPIx_BaudRatePrescaler;
SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPIx_CPHA;
SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPIx_CPOL;
SPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial = SPIx_CRCPolynomial;
SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPIx_DataSize;
SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPIx_Direction;
SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPIx_FirstBit;
SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPIx_Mode;
SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPIx_NSS;
/* 将SPI外设配置信息写入寄存器，并且使能SPI外设 */
SPI_Init(SPIx, &SPI_InitStruct);
SPI_Cmd(SPIx, ENABLE);
/* 拉高NSS */
SPI_NSS_Stop();
}
}

复制代码

这段代码中，把 STM32 的== SPI 外设配置为主机端，双线全双工模式，数据帧长度为 8位，使用 SPI 模式 3(CPOL=1， CPHA=1)， NSS 引脚由软件控制以及 MSB 先行模式。代码中把 SPI 的时钟频率配置成了 4 分频==。最后一个成员为 CRC 计算式，由于我们不需要 CRC 校验，并没有使能 SPI 的 CRC 功能，这时 CRC 计算式的成员值是无效的。赋值结束后调用库函数 SPI_Init 把这些配置写入寄存器，并调用 SPI_Cmd 数使能外设。

发送、接收一个字节

/* 发送一个帧数据,同时接收一个帧数据 */
uint8_t SPI_SendData( uint8_t data)
{
uint16_t timeout=0x2710; //10,000
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE)==RESET) //寄存器的状态读取可以随时就行，这个不受SPI是否在传输数据的影响
if((timeout--)==0) return printf("发送等待失败!\n");
SPI_I2S_SendData(SPIx, data);
timeout=0x2710; //10,000次循环无果后为失败
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE)==RESET)
if((timeout--)==0) return printf("接收等待失败!\n");
return SPI_I2S_ReceiveData(SPIx);
}
/* 读取一个帧数据 */
uint16_t SPI_ReadData(void)
{
return SPI_SendData( 1);//此时发送的值可以为任意值
}

复制代码

发送数据前要等待发送缓冲区为空，靠TXE标志判断，所以开始的while循环是等待发送缓冲区为空，同时，等待接收缓冲区是否有数据，靠RXNE标志来判断，把接收缓冲区的数据作为返回值返回。由于发送和接收是同时进行的，而且要接收一个数据时必须在有效的SCK下，而只有发送数据才能产生有效的SCK，所以接收数据的函数时在发送数据的函数的基础上，将发送的数据设置为Dummy_Byte假数据来骗取有效的SCK。

头文件

#ifndef __SPI_H
#define __SPI_H
#include "stm32f10x.h"
#define SPIx SPI1
#define SPI_Clock RCC_APB2Periph_SPI1
#define SPI_GPIO_Clock RCC_APB2Periph_GPIOA
/* SCK/MOSI/MISO都配置为复用推挽输出，NSS由软件控制配置为普通的推挽输出 */
#define SPI_SCK_GPIO_PORT GPIOA
#define SPI_SCK_GPIO_MODE GPIO_Mode_AF_PP
#define SPI_SCK_GPIO_SPEED GPIO_Speed_50MHz
#define SPI_SCK_GPIO_PIN GPIO_Pin_5
#define SPI_MOSI_GPIO_PORT GPIOA
#define SPI_MOSI_GPIO_MODE GPIO_Mode_AF_PP
#define SPI_MOSI_GPIO_SPEED GPIO_Speed_50MHz
#define SPI_MOSI_GPIO_PIN GPIO_Pin_7
#define SPI_MISO_GPIO_PORT GPIOA
#define SPI_MISO_GPIO_MODE GPIO_Mode_AF_PP
#define SPI_MISO_GPIO_SPEED GPIO_Speed_50MHz
#define SPI_MISO_GPIO_PIN GPIO_Pin_6
#define SPI_NSS_GPIO_PORT GPIOA
#define SPI_NSS_GPIO_MODE GPIO_Mode_Out_PP
#define SPI_NSS_GPIO_SPEED GPIO_Speed_50MHz
#define SPI_NSS_GPIO_PIN GPIO_Pin_4 //因为串行FLASH的CS引脚是PA4，SPI的NSS要和串行的一致
/* 配置SPI信息 */
#define SPIx_BaudRatePrescaler SPI_BaudRatePrescaler_4//四分频，SPI1挂载在APB2上，四分频后波特率为18MHz
#define SPIx_CPHA SPI_CPHA_2Edge//偶数边沿采样
#define SPIx_CPOL SPI_CPOL_High//空闲时SCK高电平
#define SPIx_CRCPolynomial 7//不使用CRC功能，所以无所谓
#define SPIx_DataSize SPI_DataSize_8b//数据帧格式为8位
#define SPIx_Direction SPI_Direction_2Lines_FullDuplex
#define SPIx_FirstBit SPI_FirstBit_MSB//高位先行
#define SPIx_Mode SPI_Mode_Master//主机模式
#define SPIx_NSS SPI_NSS_Soft//软件模拟
/***************************************************************************************/
#define SPI_NSS_Begin() GPIO_ResetBits(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_GPIO_PIN)
#define SPI_NSS_Stop() GPIO_SetBits(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_GPIO_PIN)
#endif /*__SPI_H*/