提示：若转载，请备注来源，谢谢！

文章目录

前言
一、SPI协议的特点
- 1. 优点
- 2. 缺点
- 3. 结构
二、SPI协议分析
- 1. 模式概念理解
- 2. 通信过程分析
- 3. SPI个人协议理解
- 4、使用SPI协议操作SPI外设芯片
总结

前言

题目上写的是单片机，其实不管你的板子上不上系统（FreeRtos、Linux），协议都是不变的。题外话：工作过程中，一直在移植别人写好的SPI协议，然后和外设的芯片（例如：Flash芯片、NFC芯片等）进行通信，但是都没有往底层深入的看，下午照着代码看了三个多小时，写这篇博客作为总结。

一、SPI协议的特点

SPI （Serial Peripheral Interface），是串行外围设备接口，通过这几个接口（一般4个接口，有片选、时钟、输入、输出）出来的数据遵循一定的规则，我们把这个规则叫做协议，所以就是SPI协议，可以进行高速、全双工、同步的通信。现在越来越多的外设芯片集成了这种通信协议，常见的有FLASH、AD转换器，NFC芯片等。

1. 优点

支持全双工，信号完整性好；
支持高速（100MHz以上）；
协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长，（高位先行还是低位先行，需要看外设芯片的手册，主要是保证两个 SPI通讯设备之间使用同样的协定）；
硬件连接简单；

2. 缺点

相比IIC多两根线，有4根线；
没有寻址机制，只能靠片选选择不同设备。意思就是发送数据前，要先通过IO拉低设备片选信号，然后在发送数据，操作完成后将片选信号拉高；
没有从设备接受ACK，主设备对于发送成功与否不得而知；
典型应用只支持单主控；
相比RS232 RS485和CAN总线，SPI传输距离短，局限于PCB板子；

3. 结构

信号定义如下：
SCK: Serial Clock 串行时钟
MOSI : Master Output, Slave Input 主发从收信号
MISO: Master Input, Slave Output 主收从发信号
SS/CS : Slave Select 片选信号

二、SPI协议分析

1. 模式概念理解

首先要知道时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA的概念，概念自行百度，根据CPOL 及 CPHA 的不同状态，SPI 分成了四种模式，若你写软SPI协议的话，一定要知道这四种模式，使用硬SPI协议的话，根据外设芯片，在初始化时，配置MCU的寄存器即可。四种模式如下：

例如：W25Q64这款FLSH芯片，既支持模式0，也支持模式3，所以在MCU初始化SPI时，就可以选择这两种模式中的一种。

2. 通信过程分析

这是一张野火STM32F103手册上的图片，我们参考这种图片来分析通信过程

(1) 拉低NSS信号线，产生起始信号(图中没有画出)；（需要软件操作)
(2) 把要发送的数据写入到“数据寄存器 DR”中，该数据会被存储到发送缓冲区；（需要软件操作)
(3) 通讯开始，SCK 时钟开始运行。MOSI 把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去；MISO 则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；（我们不用管，单片机会自动帮我们完成！)
*(4) 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；（需要软件操作，因为我们要做状态查询，通常是while死循环来保证数据被发送或接收)
(5) 等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE 标志位”为 1时，通过读取“数据寄存器 DR”可以获取接收缓冲区中的内容;
(6) 拉高 NSS信号线，产生结束信号（需要软件操作)

3. SPI个人协议理解

其实，对于任何一种MCU支持的协议来说，我们要做的就3步：

1、初始化

2、发送数据

3、接收数据
不过，spi协议在发送和接收数据前要拉低片选信号而已。对MCU操作来说，每款MCU的厂家给出的寄存器是不一样，在编写发送或接收函数时，每个MCU的编写函数是不一样的。这里，分析两家的,拿到一款芯片后，可以参考厂家demo编写，这才是最正确的，千万不要傻乎乎的自己从头到尾写。

第一家，意法半导体的STM32F103芯片。因为之前说过，SPI协议没有从设备发送ACK，所以主设备对于发送成功与否不得而知，但是可以知道数据buff是否发送完成，简单来说，数据发送成不成功我不知道，但是我知道数据发没发完。每个厂家设计的不一样，STM32检测buff是否发送完成依据接收缓冲区（没有写出错，是接收缓冲区）不为空（这样设计感觉挺奇怪的，没办法厂家就是这样设计的）

1）发送之前，先检测TXE，若发送缓冲区位空，则将数据写入发送数据寄存器；
2）等待数据发送完成（若RXNE为非空，则表示发送完成）；

// 发送函数
u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)
{SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;/* 等待发送缓冲区为空，TXE事件 */while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);}/* 写入数据寄存器，把要写入的数据写入发送缓冲区 */SPI_I2S_SendData(FLASH_SPIx, byte);   // 将一个字节的数据写入spi数据寄存器SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;/* 判断发送buff的数据是否完成，等待接收缓冲区非空，RXNE事件 */while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);}/* 读取数据寄存器 */return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPIx );
}
// 接收函数
u8 SPI_FLASH_ReadByte(void)
{// 通过写的方式，来读数据，感觉挺奇怪的return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte));    //Dummy_Byte为任意字节，无意义，但是必须要写，一般我们写0XFF
}

第二家，国内HUA芯片， 这款芯片就有专门的发送完成和是否接受到数据的状态寄存器，发送和接收逻辑符合我们通常的认知。写这两个函数的时候需要参考厂家demo。

// 发送函数
void Spim0SendData(UINT8 *data_buf, UINT16 len)
{    UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;Spim0ClrFifo();      //清空发送缓冲区Spim0RecAutorcvDis();      // 禁用自动接收Spim0TransStart();     // 开始发送Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND); // 清空发送完成寄存器while(len){        if(len >= 8){/*send 8 Byte data*/for (UINT8 i = 0; i < 8; i++){SPIM0->DR = *data_buf;data_buf++;}                    len -= 8;wrcnt += 8;}else if(len >= 4){/*send 4 Byte data*/for (UINT8 i = 0; i < 4; i++){SPIM0->DR = *data_buf;data_buf++;}                  len -= 4;wrcnt += 4;}        else{for (UINT8 i = 0; i < len; i++){SPIM0->DR = *data_buf;data_buf++;len--;}                   }while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_TXEND)); Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND);}Spim0TransStop();
}
// 接收函数
void Spim0RecvData( UINT8 *data_buf, UINT16 rev_len)
{   UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;Spim0SetClk(rev_len & 0x3ff);/*set rx frames,the maxlen is 0x3ff bytes*/Spim0ClrFifo();Spim0RecAutorcvEn();/*only receive mode en*/     Spim0TransStart();while(rev_len != 0){if(rev_len >= 4){                                  /*receive 4 byte data*/while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXHF));*data_buf++ = SPIM0->DR;*data_buf++ = SPIM0->DR;*data_buf++ = SPIM0->DR;*data_buf++ = SPIM0->DR;rev_len -= 4;           }        else{                     while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXNE));for(; rev_len>0; rev_len--){*data_buf++ = SPIM0->DR;}}}Spim0TransStop();
}

4、使用SPI协议操作SPI外设芯片

需要先看外设芯片的数据手册，例如W25Q64 flash芯片的操作指令为，（下图中括号的数据为接收的数据）：

举个简单的例子，使用stm32读flash的设备ID:

u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
{u32 Temp = 0;/* Select the FLASH: Chip Select low */SPI_FLASH_CS_LOW();/* Send "RDID " instruction */SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID);     // 0xABSPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* Read a byte from the FLASH */Temp = SPI_FLASH_ReadByte();   // 等价于 Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* Deselect the FLASH: Chip Select high */SPI_FLASH_CS_HIGH();return Temp;
}

总结

1、SPI协议主要写的就是发送和接收函数，发送和接收的数据需要看外设芯片的数据手册；
2、若MCU支持硬SPI协议，那我们一般用硬spi协议，若用软的，移植的时候不好移植，因为你不知道你的外设芯片支持哪种spi模式。如果MCU不支持SPI，现在你又需要SPI，这时就可以写个软的SPI协议。不过现在芯片一般都支持硬SPI了，除非为了节省成本，你的芯片很Low很Low。
软spi协议很简单，关于波特率，你不需要太过关系，只要不超过外设芯片的波特率就可以，至于具体是多少Hz，如果不追求速度的话，没有太大的关系，可以先调通spi，然后在调速。
软SPI协议如下（模式0）： 可以看到，先操作的是数据IO，然后在操作SCK的IO。

请务必参考上面的时序图，来看下面软spi模式0对应的代码，不然不知道原由：

// spi发送函数
void SpiByteWrite(unsigned char dat)
{ unsigned char mask; for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在前，逐位移出 { if ((mask&dat) != 0) //首先输出该位数据 Set_MOSI_IO(1);    // IO拉高else Set_MOSI_IO(0);     // IO拉低Set_SPI_CK(1);       //然后拉高时钟，数据采样，IO拉高Set_SPI_CK(0);       //再拉低时钟，完成一个位的操作 ，IO拉低} Set_MOSI_IO(1);            //最后确保释放 IO 引脚，IO拉高
} // spi总线上读取一个字节
unsigned char DS1302ByteRead()
{ unsigned char mask; unsigned char dat = 0; for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在前，逐位读取 { if (Get_MISO_IO!= 0)  //首先读取此时的 IO 引脚，并设置 dat 中的对应位 { dat |= mask; } Set_SPI_CK(1);       //然后拉高时钟，数据采样，IO拉高Set_SPI_CK(0);       //再拉低时钟，完成一个位的操作 ，IO拉低} return dat;              //最后返回读到的字节数据
}

若其他模式，参考下面的图片，相信你也能自己写出对应的软SPI协议。

在时序上，SPI 比 I2C 简单多，没有了起始、停止和应答，和UART一样， SPI 在通信的时候，只负责通信，不管是否通信成功，而 I2C 却要通过应答信息来获取通信成功失败的信息，所以相对来说，UART 和 SPI 的时序都要比 I2C 简单一些。

单片机外设篇——SPI协议相关推荐

51单片机外设篇：点阵式LCD
什么是LCD LCD(Liquid Crystal Display)俗称液晶. 液晶是一种材料,液晶这种材料具有一种特点:可以在电信号的驱动下液晶分子进行旋转,旋转时会影响透光性,因此我们可以在整个液 ...
51单片机外设篇：蜂鸣器
蜂鸣器蜂鸣器是一种将电信号转换为声音信号的器件,常用来产生设备的按键音.报警音等提示信号. 蜂鸣器按驱动方式可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器: 有源蜂鸣器:内部自带振荡源,将正负极接上直流电压即可持续发 ...
51单片机外设篇：数码管
数码管简介 LED数码管:数码管是一种简单.廉价的显示器,是由多个发光二极管封装在一起组成"8"字型的器件.比如红绿灯. 单个数码管: 多个数码管: 这些引脚由对应的寄存器控制着, ...
外设篇：SD卡等外存设备
主流的外存设备介绍内存和外存的区别:一般是把RAM(random access memory,随机访问存储器,特点是任意字节读写,掉电丢失)叫内存,把ROM(read only memory,只读存 ...
单片机软件模拟SPI接口—加深理解SPI总线协议
单片机软件模拟SPI接口-加深理解SPI总线协议 SPI(Serial Peripheral Interfacer 串行外设接口)是摩托罗拉公司推出的一种同步串行通讯接口,用于微处理器臌控制器和外 ...
SPI的模拟应用——OLED以及时钟模块的应用（一）SPI协议介绍及利用协议实现两机通信（51单片机）
链接:https://pan.baidu.com/s/1g8jkENjO8v4eXq0bN0acEw?pwd=45c8 提取码:45c8 目录一. 什么是SPI 1-1 SPI简介 1-2 SPI ...
[经验] PROTEUS仿真学习笔记05 （SPI 协议外设）——2014_7_15
SPI 的概念 *************** 对初学者来说,SPI 应该比 I2C 难一些,原因: 1.C51 用SPI 的资料不多,要到STM32 等更高级MCU 资料才会多: 2.SPI 的资料 ...
【单片机外设学习之SPI】
stm32外设学习之spi 物理层 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CS(或者NSS). CS: 片选信号线, 当有多个SPI 从设备与SPI ...
基于STM32 + 超详细对新手全面解析讲解SPI协议（附源码）
前言本次我们学习一下STM32的一个基本外设 --- SPI,全程参考手册讲解,讲述SPI的工作模式和作用,让大家快速掌握和了解SPI通讯协议.本篇博客大部分是自己收集和整理,借鉴了很 ...
嵌入式硬件入门——Flash Memory（W25Q64+SPI协议）
Flash存储器又称闪存,它结合了ROM和RAM的长处,不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能,还可以快速读取数据(NVRAM的优势),使数据不会因为断电而丢失. 文章目录 Flash Fla ...

单片机外设篇——SPI协议