STM32--SPI原理及应用

1.什么是SPI

SPI，Serial Peripheral interface，串行外围设备接口。是Motorola(摩托罗拉)首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。

2.SPI基本特性

SPI，是一种高速全双工的通信总线。广泛地应用在ADC、LCD等设备与MCU间，适用于对通信速率要求较高的场合。

支持的最高SCL的时钟频率为fpclk/2，如：STM32F103的fpclk/2=72/2=36MHZ

支持四种数据采样模式

数据帧长度可以设置8位与16位，每次传输的单位数不受限制

可设置数据高位先行(MSB) 与低位先行（LSB）

没有从机地址

没有应答设计

支持同步全双工通信、双线单向通信、单线模式

3.SPI物理层

3.1SPI的线路连接

3.1.1一对一线路

3.1.2一对多线路

SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO ，片选线为SS

**SCK（Serial Clock）:**串行时钟线

用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样， 如STM32的SPI时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

MOSI(Master Output Slave Input)：主机输出、从机输入

主机 的数据从这条信号线输出 ， 从机 由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

MISO(Master Input Slave Output)：主机输入、从机输出

主机 从这条信号线读入 数据， 从机 的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

SS(Slave Select) ：片选信号线

SS常称为片选信号线 ，也称为NSS、CS，以下用NSS表示。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时， 设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即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 。 I2C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而SPI协议中没有设备地址，它使用NSS信号线来寻址， 当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效， 接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。

在一主多从的模式下，GPIO模拟SS是最佳选择

3.2 SPI外设框图

线路1是SPI主机发送数据的流程：发送的数据→发送缓冲区（TDR）→移位寄存器→MOSI

线路2是SPI主机接收数据的流程：接收的数据→MISO→移位寄存器→接收缓冲区（RDR）

1.LSBFIRST位：控制是低位先行还是高位先行。0：MSB高位先行 1：LSB低位先行

2.**SPE(SPI Enable)**SPI使能，就是SPI_Cmd函数配置的位

3.**BR(Baud Rate)**配置波特率，就是SCK的时钟频率

4.MSTR：配置主从模式（1：主，2：从）

5.CPOL :时钟极性,是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号(即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态)。CPOL=0时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1时，则相反。

6.CPHA:时钟相位是指数据的采样的时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的"奇数边沿"被采样。当CPHA=1时， 数据线在SCK的"偶数边沿"采样。

7.TXE/RXNE:(TXE、RXNE)分别是发送寄存器空、接收寄存器非空，这两个事件均可申请进入USART中断

发送寄存器空：表明发送寄存器空闲，可通知MCU向TDR写入数据;

接收寄存器非空：表明已经接收到了数据，进入中断后可通知MCU读取RDR里的数据

8.TXEIE、RXNEIE分别是发送中断使能、接收中断使能

9.波特率发生器：主要用来产生SCL时钟的，内部主要是一个分频器，输入时钟是PCLK，72Mhz或36Mhz,经过分频之后，输出到SCK引脚（生成的时钟与移位寄存器一致，每产生一个时钟，移入、移出1bit）。CR1寄存器中的三个位BR0、1、2用来控制分频系数

数据控制器：相当于一个管理员，控制着所有电路的运行

移位寄存器：右边的数据低位，一位一位的从MOSI移出去，MISO的数据一位一位的移入到左边的数据高位。图上表示的是低位先行。

SPI从模式下的数据收发：

这一块主要做主从模式引脚变换的，SPI外设可以做主机也可做从机，做主机时这个交叉就不用，如果该外设做从机MOSI 就应该作为输入。

注：

接收、发送缓冲区分别是接收、发送数据寄存器RDR、TDR,这里和串口一样TDR与RDR占用同一个地址，统一叫DR。

发送流程：发送数据先写入TDR，在转到移位寄存器发送，发送的同时接收数据，接收到的数据转到RDR，再从RDR读取数据，数据寄存器与移位寄存器配合，可以实现无延迟的连续传输。

与IIC的区别，SPI是全双工，发送与接收时同步进行的，所以SPI的数据寄存器，发送与接收是分离的，而移位寄存器，发送与接收是可以共用的。因为IIC 是板双工，所以，它的数据寄存器与移位寄存器的发送与接收都是共用的 。串口 ，数据寄存器与移位寄存器的发送与接收都是分离的。

3.3 SPI电路如何工作

SPI的数据收发都是基于字节交换，这个基本单元来进行的

主机中波特率发生器提供时钟源，其产生的时钟，会驱动主机与从机的移位寄存器进行移位。因此每来一个时钟，移位寄存器都会向左/右进行移位。

SPI交换数据的步骤：

**1、**波特率发生器时钟的上升沿，所有寄存器向左移动一位，移出去的位放到引脚上：

**2、**波特率发生器时钟的下降沿，引脚上的位，采样输入到移位寄存器的最低位。数据放在通信线上实际上是放到了输出寄存器上。移位采样移位采样.........

**3、**最终结果，主机里的10101010数据转运到从机里，从机里的01010101数据转运到了主机里，这就实现了主机与从机的一个字节的数据交换，SPI的运行过程就是这样。SPI的数据收发都是基于字节交换进行的。

主从机如何发送接收数据?

1.当主机需要发送一个字节，同时接收一个字节时，就可以执行这个字节交换；

2.如果指向发送数据，不想接收数据，仍然调用交换字节 的时序，发送同时接收**，只是接收到的数据，我们不做处理**

3.如果只想接收不想发送，还是调用交换字节 的时序，发送同时接收，我们随便发送一个数据（00或ff）把从机的数据置换过来。

总结：SPI数据的通信实际上就是：交换字节

4.SPI协议层

4.1SPI时基单元

4.2SPI通信时序

4.2.1 SPI的起始信号与终止信号

1.SPI起始信号 ：NSS线置低电平

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，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。

6.SPI终止信号 ：NSS线置高电平

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。

4.2.2 数据有效性

SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据 ，使用SCK信号 线进行数据同步 。MOSI及MISO 数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据 ， 且数据输入输出是同时进行 的。数据传输时，MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定， 一般都会采用MSB先行模式。

观察图中的标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出，在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻， MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据"1"，为低电平时表示数据"0"。在其它时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。

SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。

4.2.3CPOL/CPHA及通讯模式

SPI一共有四种通讯模式， 它们的主要区别是总线空闲时SCK的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入"时钟极性CPOL"和"时钟相位CPHA"的概念。

时钟极性CPOL 是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号 (即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态)。CPOL=0时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1时，则相反。

时钟相位CPHA 是指数据的采样的时刻 ，当CPHA=0 时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的"奇数边沿"被采样 。当CPHA=1 时， 数据线在SCK的"偶数边沿"采样。

1.CPHA=0的情况

无论CPOL=0或1，数据都会在SCL奇数边沿采样，在SCL偶数边沿更改数据 2.CPHA=0的情况

无论CPOL=0或1，数据都会在SCL奇数边沿更改数据，在SCL偶数边沿采样

总结：如果在SCL上升沿更改数据，那么就在SCL的下降沿读取数据

SPI四种数据采样模式总结

6. SPI代码

6.1 SPI结构体详解

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;

1.SPI_Direction

本成员设置SPI的通讯方向，可设置为双线全双工(SPIDirection 2LinesFullDuplex)，双线只接收(SPI Direction2Lines RxOnly)， 单线只接收(SPIDirection 1LineRx)、单线只发送模式(SPI Direction1LineTx)。

2.SPI_Mode

本成员设置SPI工作在主机模式(SPIMode Master)或从机模式(SPIModeSlave )， 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(SPIDataSize 8b)还是16位(SPIDataSize16b)。

4.SPICPOL和SPICPHA

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， 关于CPOL和CPHA的说明参考前面"通讯模式"小节。

时钟极性CPOL成员，可设置为高电平(SPICPOL High)或低电平(SPICPOLLow )。

时钟相位CPHA 则可以设置为SPICPHA 1Edge(在SCK的奇数边沿采集数据) 或SPICPHA2Edge(在SCK的偶数边沿采集数据) 。

5.SPI_NSS

片选， 本成员配置NSS引脚的使用模式，可以选择为硬件模式(SPINSS Hard )与软件模式(SPINSSSoft )， 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

高位先行或低位先行，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。

6.2SPI结构体初始化配置

/*
一、初始化代码流程：
	1.开启时钟（SPI与GPIO）
	2.初始化GPIO口（外设控制的输出信号--复用推挽输出）
	3.配置SPI外设
	4.开关控制（调用SPI_Cmd()使能）
*/

void MySPI_Init(void)
{
	//第一步：开启GPIO时钟、SPI外设时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);
	
	//第二步：初始化SPI外设复用的GPIO
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	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;
	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;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	//第三步：初始化SPI外设
	
	SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
	//配置SCK的时钟频率
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;
	//CPHA与CPOL是配置SPI模式的（模式0~3）
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;//第一个边沿采样
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;//默认为低电平
	//CRC校验的多项式
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
	//8位or16位的数据帧
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
	//SPI的通信模式
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
	//高位or低位先行
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
	//SPI模式，决定当前设备是SPI的主机还是从机
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
	//NSS模式（硬件模式or软件模式）
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
	
	SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);
	
	//第四步：使能SPI外设
	SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);

	MySPI_W_SS(1);//默认不选用从机
}

6.3 SPI读写数据

//SPI外设交换一个字节的流程
//顺序：SS下降沿--移出数据--SCK上升沿--移入数据--SCK下降沿--移出数据...
/*
流程：
  1.等待TXE=1,就是发送数据寄存器（TDR）空，此时 可以向TDR写入发送的数据
  2.调用SPI_I2S_SendData函数，发送TDR寄存器中的数据
  3.等待RXNE=1,就是接收寄存器（RDR）非空,此时 可以读取RDR中的数据
  4.读取RDR寄存器中的数据
*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	//第一步：等待TXE为1，发送数据寄存器空，表示可以往该寄存器写数据了
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);
	//第二步：写入TDR的数据
	SPI_I2S_SendData(SPI1,ByteSend);//转移到移位寄存器并生成波形都是自动完成的
	//第三步：等待RXNE为1，表示接收数据寄存器非空，也就是说接收数据寄存器有数据
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);
	//第四步：读取DR
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);//从接收寄存器中读取数据
}

/*手动翻转电平 代码start*/
//从机选择
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
    //先将GPIOA4引脚链接到SPI从机的SS，这一步的目的是用GPIO模拟SS
    //在SPI的一主多从模式下用GPIO模拟SS是较好的做法
	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);//用GPIO模拟SS
}

//起始信号
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);
}

//终止信号
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);
}

/*一、
  写与读其实函数内容是一样的,因为SPI的工作方式就是交换一个数据
  如果想读数据，就随便发送一个数据，用来交换从机SPI的数据
  如果想写数据，那就将数据直接发送，交换会的数据直接丢弃
 二、配置时序流程：
	写DR、读DR、获取状态标志位
*/

//读多个字节的数据
#define DUMMY_BYTE	0xFF//定义一个空壳数据 用于与从机交换数据 
void SPI_ReadData(uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{
	uint16_t i;
	MySPI_Start();//起始信号
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//交换数据
	}
	MySPI_Stop();//终止信号
}

//写多个字节的数据
void SPI_WriteData( uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{
	uint16_t i;
	MySPI_Start();
	for (i = 0; i < Count; i ++)
	{
		MySPI_SwapByte(DataArray[i]);
	}
	MySPI_Stop();
}

//main函数
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

uint8_t ArrayWrite[] = {0xA1,0xB2,0xC3,0xD4};
uint8_t ArrayRead[4];

int main(void)
{
	MySPI_Init();//初始化SPI结构体之后，SPI就已经通电工作了
	//写入测试 直接调用读写函数就可以了，可以通过USART或者OLED显示验证一下
	SPI_WriteData(ArrayWrite,4);//写
	SPI_ReadData(ArrayRead,4);//读

	while(1)
	{	
		
	}
}