STM32——SPI外设总线

Is Fang2023-08-26 23:31

一、SPI外设简介

  • STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担【硬件电路自动生成时序】

  • 可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行

  • 时钟频率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)【SPI1是APB2的外设，PCLK=72MHz；SPI2是APB1的外设，PCLK=36MHz】

  • 支持多主机模型、主或从操作

  • 可精简为半双工/单工通信【使用SPI就是为了发挥全双工的优势】

  • 支持DMA

  • 兼容I2S协议【音频协议，将数字信号转化为模拟信号】

  • STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2

二、SPI框图

  • LSBFIRST：设置低位先行还是高位先行
  • stm32的SPI外设也可以设置为从机模式，此时MOSI和MISO的线路就会交叉（如图所示）
  • 接收缓冲器（TDR）和发送缓冲区（RDR）占用同一个地址（DR）
  • 移位寄存器和数据寄存器配合可以实现数据连续传输，要判断状态寄存器的TXE和RXNE
  • SPI在发送的同时也接收数据，这点和半双工不一样，所以会有两个缓冲区，移位寄存器可以共用【在外设电路设计上：USART是全双工异步外设，所以移位寄存器和数据寄存器都不是共用的，I2C是半双工同步外设，所以移位寄存器和数据寄存器是共用的】
  • 发送缓冲区为空时，TXE置1，接收缓冲区非空时，RXNE置1

三、SPI基本结构

  • SS引脚采用普通的GPIO口模拟即可

四、主模式全双工连续传输

  • 当数据从发送缓冲区移动到移位寄存器时，就会产生时序
  • 当三个数据都发送完毕时，BSY标志才清空
  • 数据从接收缓冲区读出后要软件置RXNE标志位为0

连续传输的硬件设计比较复杂，需要软件配合

五、非连续传输【常用】

  • 相比于连续传输，TXE为1（发送缓冲区为空）的时候不急着把数据写入TDR，而是等到一个字节时序结束才将数据放到TDR
  • 第一个字节时序结束也表示了接收完成，此时RXNE标志位为1，将数据读出

交换一个字节的四步编程：

  • 等待TXE为1
  • 写入发送的数据到TDR
  • 等待RXNE为1
  • 读出RDR接收到的数据

缺点：传输频率越高，字节与字节之间的时间间隙会越大，如图所示

六、软件/硬件波形对比

边沿和电平期间，都可以作为数据变化的时刻

软件波形一般在电平期间，硬件的波形一般会紧贴边沿

七、硬件I2C读写MPU6050

电路设计

关键代码

MySPI.c

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

//ss引脚采用软件模拟即可
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//通用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//由外设控制，设置为复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//完成SPI外设的配置，配置SPI_InitStructure结构体
	SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;//主机
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//双线全双工
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;//8位数据帧
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;//高位先行
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;//128分频
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;//模式0
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;//模式0
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;//CRC校验
	SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
	
	SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);//使能外设
	
	MySPI_W_SS(1);
}

void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}

void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

//基于spi外设交换一个字节的四个步骤：
/*
- 等待TXE为1
- 写入发送的数据到TDR
- 等待RXNE为1
- 读出RDR接收到的数据
*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);
	
	SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend);//自动生成时序波形，写入操作会自动将TXE清除
	
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);
	
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);//读取操作会自动将RXNE清除
}

MySPI.h

c 复制代码 
#ifndef __MYSPI_H
#define __MYSPI_H

void MySPI_Init(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend);

#endif

W25Q64.c

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_Ins.h"

void W25Q64_Init(void)
{
	MySPI_Init();//底层spi时序初始化
}

//根据指令集写功能函数

void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);
	//不同时序调用得到的返回值是不同的
	*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	*DID <<= 8;
	*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);
	MySPI_Stop();
}
//写使能
void W25Q64_WriteEnable(void)
{
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);
	MySPI_Stop();
}
//直接读取寄存器的busy位，如果为0则表示不忙，程序返回，否则会阻塞
void W25Q64_WaitBusy(void)
{
	uint32_t Timeout;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);
	Timeout = 100000;
	while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01)
	{
		Timeout --;
		if (Timeout == 0)
		{
			break;
		}
	}
	MySPI_Stop();
}
//按页写入
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{
	uint16_t i;
	
	W25Q64_WriteEnable();//写入操作前，必须先进行写使能
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	//Count不能定义为uint8_t ，因为最大是255字节，而不是256字节
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}
//扇区擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{
	W25Q64_WriteEnable();//写入操作前，必须先进行写使能
	
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	MySPI_Stop();
	
	W25Q64_WaitBusy();
}
//按页读取
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
	uint32_t i;
	MySPI_Start();
	MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);
	MySPI_SwapByte(Address >> 16);
	MySPI_SwapByte(Address >> 8);
	MySPI_SwapByte(Address);
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//置换有用数据
	}
	MySPI_Stop();
}

W25Q64.h

c 复制代码 
#ifndef __W25Q64_H
#define __W25Q64_H

void W25Q64_Init(void);
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID);
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count);
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address);
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count);

#endif

W25Q64_Ins.h

c 复制代码 
#ifndef __W25Q64_INS_H
#define __W25Q64_INS_H

#define W25Q64_WRITE_ENABLE							0x06
#define W25Q64_WRITE_DISABLE						0x04
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1				0x05
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_2				0x35
#define W25Q64_WRITE_STATUS_REGISTER				0x01
#define W25Q64_PAGE_PROGRAM							0x02
#define W25Q64_QUAD_PAGE_PROGRAM					0x32
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_64KB						0xD8
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_32KB						0x52
#define W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB						0x20
#define W25Q64_CHIP_ERASE							0xC7
#define W25Q64_ERASE_SUSPEND						0x75
#define W25Q64_ERASE_RESUME							0x7A
#define W25Q64_POWER_DOWN							0xB9
#define W25Q64_HIGH_PERFORMANCE_MODE				0xA3
#define W25Q64_CONTINUOUS_READ_MODE_RESET			0xFF
#define W25Q64_RELEASE_POWER_DOWN_HPM_DEVICE_ID		0xAB
#define W25Q64_MANUFACTURER_DEVICE_ID				0x90
#define W25Q64_READ_UNIQUE_ID						0x4B
#define W25Q64_JEDEC_ID								0x9F
#define W25Q64_READ_DATA							0x03
#define W25Q64_FAST_READ							0x0B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_OUTPUT				0x3B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_IO					0xBB
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_OUTPUT				0x6B
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_IO					0xEB
#define W25Q64_OCTAL_WORD_READ_QUAD_IO				0xE3

#define W25Q64_DUMMY_BYTE							0xFF

#endif

main.c

c 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"

uint8_t MID;
uint16_t DID;

uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t ArrayRead[4];

int main(void)
{
	OLED_Init();
	W25Q64_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");
	OLED_ShowString(2, 1, "W:");
	OLED_ShowString(3, 1, "R:");
	
	W25Q64_ReadID(&MID, &DID);
	OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2);
	OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4);
	
	W25Q64_SectorErase(0x000000);
	W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4);
	
	W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4);
	
	OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2);
	OLED_ShowHexNum(2, 6, ArrayWrite[1], 2);
	OLED_ShowHexNum(2, 9, ArrayWrite[2], 2);
	OLED_ShowHexNum(2, 12, ArrayWrite[3], 2);
	
	OLED_ShowHexNum(3, 3, ArrayRead[0], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);
	OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);
	
	while (1)
	{
		
	}
}

参考视频：江科大自化协

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