SPI通信协议

什么是SPI

SPI 是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola(摩托罗拉)首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。

SPI，是一种高速的，全双工 ，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

SPI分为主、从两种模式，一个SPI通讯系统需要包含一个（且只能是一个）主设备，一个或多个从设备。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），SPI接口的读写操作，都是由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

四根通信线：SCK（Serial Clock）时钟线、MOSI（Master Output Slave Input）主机输出从机输入、MISO（Master Input Slave Output）主机输入从机输出、SS（Slave Select）从机选择线。

有的设备也叫这四根线为SCLK， SDI， SDO， CS

CS/SS：从设备片选信号，由主设备控制。它的功能是用来作为"片选引脚"，也就是选择指定的从设备，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。SPI通信协议规定每个从机都有一根片选信号线，所以这个线不止一根。

对于IIC来说，由于IIC是开漏输出的结构，属于弱上拉，这就使得由低到高时，上升沿时间较长，这就限制了最大通信速度。
SPI是全双工且SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps。

相较于IIC，SPI也是没有应答机制的，发送和接收都不会检查对方是否存在。

SPI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，推挽输出的上拉和下拉能力都很强，所以上拉或者下拉的速度就很快，这就保证了他可以快速的完成电平的转换，这就保证了更高的传输速度。输入引脚配置为浮空或上拉输入。

可以看到，所以设备的MISO都是连接在一起的，所以此时如果多个从机发数据就会造成信号的冲突，所以需要一些办法规避这些冲突。于是SPI协议就规定当从机没有被选中的时候，MISO引脚要表现为高阻态，高阻态就相当于引脚断开，不输出任何电平。只有被选中了（SS为低电平）才能选为推挽输出。

没被选中和被选中了，这些状态都是在从机中自动变化的，我们配置的是主机的程序，所以我们不需要关心。

SPI收发数据

SPI基本的收发电路就是下面这样的一个移位的模型

主机和从机都有一个八位的移位寄存器，主机上的时钟线每来一个时钟，数据左移一位。主机移除的数据移到从机的右边，从机移除的数据移到主机的右边，形成一个环。在时钟的上升沿，数据移出，移到引脚上，其实就是放在了数据输出寄存器上。时钟的下降沿，数据移入，写入到移位寄存器。 八个时钟后，主机和从机的数据就完成了交换。SPI的数据收发就是基于字节交换这个基本单元来进行的。我们只接收不发送就可以随便发一个数据，将从机的数据置换过来就好了。或者只发送不接收，那就接收到的数据不读就好了。

SPI时序

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

下降沿是通信的开始，上升沿是通信的结束。
时序基本单元：
SPI通信有4种不同的操作模式，不同的从设备可能在出厂时就是配置为某种模式，这是不能改变的；但我们的通信双方必须是工作在同一模式下，所以我们可以对我们的主设备的SPI模式进行配置，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来控制我们主设备的通信模式。这就有了四种通信模式。

软件模拟SPI的话，我们只需要遵守从机的模式就行了，不同的从机支持一种或者多种模式，选择任意一种即可，使用的时候需要注意时序，我们给不同的时序，从机可以识别到，因为不同的模式时序是不一样的，时序对，才能正确的控制从机。

时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平：

CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时
CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时

时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间：

CPHA=0，在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。在第2个边沿发送数据
CPHA=1，在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。在第1个边沿发送数据

需要注意的是CPHA只是决定第几个边沿采样，并不决定是上升沿还是下降沿采样。

模式0

模式0在第一个边沿就要移入数据，所以在SCK第一个边沿之前就要提前移出数据。所以在SS的下降沿就要移出数据了。

模式0也是最常用的模式。

模式1

上图中，在SS未被选中的时候，MISO用一条中间的线来表示高阻态。

模式2

与模式0的SCK相反

模式3

与模式1的SCK相反

SPI第一个时钟周期发送的信息根据芯片的不同也会不同，有的是指令（比如写使能），如果指令长度大于一个字节，那么也可能多个周期都是指令。

IIC的有效数据流第一个字节是寄存器地址，之后是读写的数据，使用的是读写寄存器的模型。

而SPI通常采用指令码+读写数据的模型。SPI起始后，第一个发送给从机的数据，一般叫做指令码。在从机中对应的会定义一个指令集，当我们需要发送什么指令时，就可以在起始后的第一个字节发送指令集里面的数据。这样就能指导从机完成相应的功能了。不同的指令可以由不同的数据个数。

W25Q64简介

W25Qxx系列是一种低成本、小型化、使用简单的非易失性存储器，常应用于数据存储、字库存储、固件程序存储等场景。

存储介质：Nor Flash（闪存）

时钟频率：80MHz / 160MHz (Dual SPI) / 320MHz (Quad SPI)

存储容量（24位地址）：

W25Q40： 4Mbit / 512KByte

W25Q80： 8Mbit / 1MByte

W25Q16： 16Mbit / 2MByte

W25Q32： 32Mbit / 4MByte

W25Q64： 64Mbit / 8MByte

W25Q128： 128Mbit / 16MByte

W25Q256： 256Mbit / 32MByte

硬件电路

WP：写保护，配合内部的寄存器配置可以实现硬件的写保护。写保护低电平有效，WP接低电平，保护住不让写。

HOLD：数据保持，低电平有效。如果在进行正常读写时，突然产生中断，然后想用SPI通信线去操控其他器件，这时如果把CS置回高电平，时序就终止了，但如果又不想终止总线，又想操作其他器件，这就可以HOLD引脚置低电平，这样芯片就HOLD住了。芯片释放总线，但是时序不会终止，他会记住当前的状态。当操作完其他器件可以回过来，HOLD置回高电平，然后继续HOLD之前的时序。

对于W25Q64内部的存储是将整个空间划分为很块，64KB为一块，一块划分为若干扇区，一个扇区4KB，一个扇区划分为若干页，一页256字节。

Flash操作注意事项

Flash为了保证掉电不丢失，存储容量足够大，成本足够低，所以Flash存储器回在其他地方，比如操作的便捷性等做出一些让步。所以Flash的写入和读取并不像RAM那样简单直接。

写入操作时：

写入操作前，必须先进行写使能
每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1
写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1
擦除必须按最小擦除单元进行
连续写入多字节时，最多写入一页的数据，超过页尾位置的数据，会回到页首覆盖写入。写入操作是先写入到RAM（缓存区）中，W25Q64的RAM大小是256字节，就是一页的大小，所以写操作不能超过页的大小。而且写入操作必须是在页首的地址才行，如果是页中间，那就是在RAM中间开始写的，此时写到RAM底部，再向下写，就会回到RAM顶部开始写。此时写完，再拷贝到Flash中，就会造成数据错乱。
写入（包括擦除）操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作。因为要将缓冲区的数据写入到FLASH。

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，读取操作结束后不会进入忙状态，但不能在忙状态时读取。

SPI代码实现

c 复制代码

/*
	将W25Q64的
	CS端接PA4
	DO端接PA6
	CLK接PA5
	DI端接PA7
*/
void MySPI_W_CS(uint8_t bit_value)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)bit_value);
}

void MySPI_W_SCK(uint8_t bit_value)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)bit_value);
}

void MySPI_W_MOSI(uint8_t bit_value)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)bit_value);
}

uint8_t MySPI_R_MISO()
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
}

void MySPI_Init()
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4 | 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_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//修改引脚默认电平
	MySPI_W_SCK(0);//默认选择模式0
	MySPI_W_CS(1);//默认不选中
	
}

//W25Q64支持模式0和模式3
void MySPI_Start()//使用模式0
{
	MySPI_W_CS(0);
}

void MySPI_Stop()
{
	MySPI_W_CS(1);
}

//使用模式0的时序
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)//返回值为读取一个数据。ByteSend为交换的时候要给的数据
{
	for(int i = 0; i < 8; i++)
	{
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & 0x80);
		ByteSend <<= 1;//左移1位，最低位补0
		MySPI_W_SCK(1);
		if(MySPI_R_MISO() == 1)
		{
			ByteSend |= 0x01;
		}
		
		MySPI_W_SCK(0);
	}
	return ByteSend;
}
//uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
//{
//	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
//	
//	for (i = 0; i < 8; i ++)
//	{
//		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));
//		MySPI_W_SCK(1);
//		if (MySPI_R_MISO() == 1){ByteReceive |= (0x80 >> i);}
//		MySPI_W_SCK(0);
//	}
//	
//	return ByteReceive;
//}

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