STM32单片机SPI通信详解

文章目录

[1. SPI通信概述](#1. SPI通信概述)

[2. 硬件电路](#2. 硬件电路)

[3. 移位示意图](#3. 移位示意图)

[4. SPI时序基本单元](#4. SPI时序基本单元)

[5. SPI时序](#5. SPI时序)

[6. Flash操作注意事项](#6. Flash操作注意事项)

[7. SPI外设简介](#7. SPI外设简介)

[8. SPI框图](#8. SPI框图)

[9. SPI基本结构](#9. SPI基本结构)

[10. 主模式全双工连续传输](#10. 主模式全双工连续传输)

[11. 非连续传输](#11. 非连续传输)

[12. 软件/硬件波形对比](#12. 软件/硬件波形对比)

[13. 代码示例](#13. 代码示例)

1. SPI通信概述

SPI（Serial Peripheral Interface）和I2C一样，都是实现主控芯片和外挂芯片之间的数据交流。

I2C 与 SPI 的比较

I2C的缺点：

驱动能力差： I2C接口由于线路上拉电阻的电路结构，使得通信总线的驱动能力较弱。当通信线路电压较高时，电阻上的损耗就越大，限制了I2C的最大通信速度。在标准模式下，I2C的最高时钟频率仅为100kHz，相比于SPI要慢得多。

SPI的优点：

传输速度高： SPI在设计上更注重速度，其设计简单且灵活，能够支持更高的传输速率。

SPI是一种串行同步通信协议。它通过四根通信线（SCK、MOSI、MISO、SS）进行数据传输。

全双工： SPI支持全双工通信，可以同时进行数据发送和接收。
多设备支持： SPI支持多设备挂载（主多从），但不支持多主多从。
时钟线： SPI使用一根时钟线（SCK）来提供时钟信号。数据的输出和输入都在SCK的上升沿或下降沿进行，由主机提供时钟信号，数据接收由从机来完成。

SPI通信线

SCK（Serial Clock）： 提供时钟信号，由主机控制。数据传输依赖于SCK的时钟信号。
MOSI（Master Out Slave In）： 主机输出，从机输入。用于主设备向从设备发送数据。
MISO（Master In Slave Out）： 从机输出，主机输入。用于从设备向主设备发送数据。
SS（Slave Select）： 片选信号，用于选择从设备。每个从设备都有一个独立的SS线，通过拉低SS信号来选择相应的从设备进行通信。

SPI通信线别称

SCK： SCLK, CLK, CK
MOSI： MI, SIO, DO（Data Output）
MISO： DI（Data Input）
SS： NSS（Not Slave Select）, CS（Chip Select）

时序和数据传输

无应答机制： SPI没有应答机制，这意味着主机发送的数据没有确认信号，数据传输的完整性和正确性需要其他手段保障。
时钟信号同步： SPI通信依赖时钟信号（SCK）进行数据同步，确保数据位在SCK的时钟沿（上升沿或下降沿）传输。

2. 硬件电路

三个从机，所以SS线需要3根，再加SCK,MOSI,MISO,就是六根。SPI所有通信线都是单端信号，它们的高低电平都是相对GND的电压差，所以单端信号的所有设备还需要共地，如果从机没有独立供电的话，主机还要额外引出电源VCC，给从机供电。

从机选择：主机的SS线都是输出，从机都是输入，SS线是低电平有效，主机想指定谁就把对应的SS输出线置低电平，其它置高，和指定的通信完成后再置回高电平。同一时间，主机只能置一个SS为低电平，只能选中一个从机。

SPI引脚配置：因为输入输出不会冲突所以输出引脚配置为推挽输出，高低电平都有很强的驱动能力，这使得SPI引脚信号的下降沿和上升沿非常迅速，可以达到MHZ的高速传输，I2C下降沿迅速，上升沿缓慢。如图SPI与I2C边沿示意图

SPI冲突点：MISO引脚，主机一个输入，但是从机三个全都是输出，如果三个从机始终都是推挽输出，势必会导致冲突，所以SPI协议规定，当从机的SS引脚为高电平时，也就是从机未被选中时，它的MISO引脚，必须切换为高阻态（相当于引脚断开，不输出任何电平），防止一条线有多个输出而导致的电平冲突问题。在SS为低电平时，MISO才允许变为推挽输出，从机会自动切换，写主机程序不用管。

3. 移位示意图

图中的移位示意图展示了主机和从机的数据交换过程。在每个时钟周期，主机和从机的移位寄存器都会同步向左移动一位，完成数据交换。

移位操作：

SPI传输时，数据是通过移位寄存器进行传输的。主机和从机各自的移位寄存器在每个时钟脉冲时都会向左移动一位。
主机的移位寄存器将数据通过MOSI引脚从左边移出，并输入到从机的移位寄存器的右边。同时，从机的移位寄存器的数据通过MISO引脚从右边移出，输入到主机的移位寄存器的左边。
这一过程在每个SCK时钟周期的下降沿或者上升沿进行（取决于SPI模式）。

具体操作：

主机发送数据： 当SCK时钟信号产生时，主机的移位寄存器将最高位的数据通过MOSI引脚输出到从机。
从机接收数据： 从机的移位寄存器同步接收这个数据，并将其存入自己的移位寄存器中。同时，从机的移位寄存器也将数据通过MISO引脚发送回主机。
双向通信： 通过这样的交替传输，SPI实现了同时发送和接收数据的功能。

4. 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

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

SPI 模式0 (CPOL=0, CPHA=0):

CPOL=0: 空闲状态时，SCK 线保持低电平。
CPHA=0: SCK 的第一个边沿（上升沿）用于将数据移入，第二个边沿（下降沿）用于移出数据。
在这种模式下，数据的传输和接收都是在时钟信号的第一个边沿开始进行的。

数据传输过程：

在 SCK 的第一个上升沿，主机将数据从 MOSI 线发送到从机，同时从机将数据从 MISO 线发送到主机。数据传输是在时钟信号的上升沿开始，而数据采样则是在下降沿进行的。
具体步骤如下：
1. SCK 上升沿（第一个边沿）: 主机和从机的数据移位寄存器中的最高位 (B7) 开始传输。
2. SCK 下降沿（第二个边沿）: 数据传输完成，主机和从机在下降沿采样数据。
3. 数据移位: 每个 SCK 周期，数据寄存器中的数据位都会左移一位，准备下一个数据位的传输。这个过程会持续 8 次，直到一个字节的数据完全传输。

同步数据交换：

图示展示了主机和从机在同一个 SCK 时钟周期内的数据交换过程。主机在每个时钟周期将数据通过 MOSI 线发送，同时通过 MISO 线接收从机发送的数据。
示例： 主机发送的数据是 "10101010"，从机发送的数据是 "01010101"。在第一个时钟周期，主机的 B7 和从机的 B7 同时传输。在下一个时钟周期，B6 被传输，依此类推，直到 B0。

SPI 有四种模式 (Mode 0 到 Mode 3)，由 CPOL 和 CPHA 两个参数决定。每种模式定义了时钟极性和相位的不同组合，适应不同的应用场景。

交换一个字节（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

Mode 1 (CPOL=0, CPHA=1): SCK 的第一个边沿（上升沿）移出数据，第二个边沿（下降沿）移入数据。

交换一个字节（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

Mode 2 (CPOL=1, CPHA=0): 空闲状态时 SCK 为高电平，下降沿移入数据，上升沿移出数据。

交换一个字节（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

Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1): 空闲状态时 SCK 为高电平，下降沿移出数据，上升沿移入数据。

5. SPI时序

发送指令

向SS指定的设备，发送指令（0x06）（模式0）

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）

W25Q64 的地址指针和数据传输

W25Q64 芯片具有 8M 字节的存储空间，一个字节的 8 位地址显然不够用，因此采用 24 位地址，即三个字节传输。SPI 和 I2C 一样，地址指针每次读写一个字节后自动加 1。这样可以实现从指定地址开始，连续写入多个字节数据。SPI 没有应答机制，发送一个字节后紧接着发送下一个字节。通信中，接收的 MISO 线路保持空闲，只有主机发送时才有数据传输。

SPI 命令传输模式

W25Q64 的操作遵循特定的命令流，类似于 I2C 的有数据流。SPI 通过发送指令来控制数据读写。首先，主机发送一个操作指令，指令后面紧跟地址和数据。每个指令定义了一组特定的操作，手册中详细列出了指令集。不同的指令可以有不同的功能，读写时需要先发送指令，然后是地址，最后是数据。

6. Flash操作注意事项

写入操作时：

写入操作前，必须先进行写使能：
- 为了防止误操作，类似于手机先解锁再使用，写入前必须启用写使能，以避免误操作。
每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1：
- 由于Flash的特性，数据只能从高变低，不能从低变高。因此在写入数据前需要先执行擦除操作。
写入数据前必须先擦除：
- 擦除后，所有数据位都变为1。擦除操作是最小单位为扇区。
连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页面尾位置的数据，会回到页面首覆盖写入：
- 一个写入时序最多只能写一页的数据，超过一页的数据会覆盖页面首部。
写入操作结束后，芯片进入忙状态，不影响新的读写操作：
- 写入结束后芯片会显示忙(BUSY=1)，此时暂时不能写入，需要等待芯片不忙再进行写入。

读取操作时：

直接调用读取时序，无需使能，无需额外操作，没有页的限制：
- 读取操作不需要任何额外操作和限制，可以直接读取数据。
读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取：
- 读取操作结束后不会使芯片进入忙状态，但在芯片忙时不能进行读取操作。

写操作详解：

防止误操作，类似手机先解锁再使用：
- 写入前需要写使能命令，防止误操作。
Flash不像RAM一样可以直接覆盖之前写入的数据：
- Flash只能实现1变0，不能实现0变1，所以写入前需要擦除。
擦除操作是最小擦除单位进行：
- 可以选择整个芯片擦除、按块、按扇区擦除等。最小擦除单位为扇区。
每个扇区有4096字节：
- 如果需要修改特定字节，需要将所在扇区整个擦除，再重新写入。
写入时序最多只能写一页的数据：
- 一页有256字节，写入超过256字节的数据会覆盖页面首部。
Flash写入太快会导致数据丢失：
- 写入操作前需要擦除并进入忙状态，等待完成再写入。这样可以保证数据的正确写入。

例子：

例如一个Flash扇区为4KB（4096字节），在写入数据前需要擦除整个扇区，才能写入数据。
如果想修改0x00这个字节，需要擦除整个扇区，然后再将新的数据写入。
为了防止数据丢失，可以将要修改的扇区数据先读出放到RAM中，修改后再写入Flash。

7. 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

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)

支持多主机模型、主或从操作

可精简为半双工/单工通信

支持DMA

兼容I2S协议

STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2

8. SPI框图

移位寄存器的操作

右移过程：数据从低位一位一位地通过MOSI移出去，同时通过MISO一位一位地移入到数据高位。
控制位：移位寄存器的状态由LSBFIRST（帧格式控制位）控制。
- LSBFIRST = 0：先发送MSB（高位）。
- LSBFIRST = 1：先发送LSB（低位）。

数据寄存器

发送缓冲区（TDR）和接收缓冲区（RDR）：
- TDR：用于发送数据。
- RDR：用于接收数据。
- 这两个寄存器占用同一个地址，统一称为DR。

实现连续数据流

发送数据流：
- 首先，将数据写入TDR。
- 当移位寄存器空闲时，TDR的数据转移到移位寄存器，开始移位。
- 转移时置TXE（发送寄存器空标志位）为1，表示可以继续写入下一个数据到TDR。
接收数据流：
- 数据通过MISO移入移位寄存器。
- 数据移入完成后，整体转移到RDR，同时置RXNE（接收寄存器非空标志位）为1，表示可以读取数据。

9. SPI基本结构

10. 主模式全双工连续传输

连续传输传输更快，但是操作复杂

11. 非连续传输

非连续传输好处容易封装，好理解，好用

12. 软件/硬件波形对比

硬件数据波形变化紧贴SCK边沿软件数据变化在边沿后有些延迟。

I2C:SCL低电平期间数据变化，高电平期间数据采样 SPI:SCK下降沿数据移出，上升沿数据移入。两者最终波形的表现形式都是一样的，无论是下降沿变化还是低电平期间变化，它们都是一个意思，都可以作为数据变化的时刻。

13. 代码示例

STM32通过SPI软件读写W25Q64

STM32通过SPI硬件读写W25Q64