spi协议时序图和四种模式实际应用详解
大家好,我是无际。
上个章节我们讲解了spi接口定义,今天我们更加深入讲解下spi协议时序图和spi四种模式的用法。
刚开始接触单片机开发时,最怕就是看时序图,对于我来说就是奇怪的知识。
特别是SPI和IIC的,以前写程序都直接复制别人程序,功能实现就行了也没去研究过数据传输的时候时序具体是怎么样的。
那个时候经验也不足,网上搜的资料说的都太学术化了,也看不懂。
后面项目做多了,发现最常用到的通信总线无非就是SPI、IIC、USART、CAN、单口通信。
理解也慢慢深刻了,现在去分析时序图也更加清晰了。
所以,我经常和无际单片机编程的学员灌输一种理念,先学会用,用多了经验丰富了再深入就轻松了。
不要在你没经验的时候去死磕,否则会付出很多不必要的时间成本。
下面,我们进入主题。
一、spi四种模式详解
在讲时序图之前,我们先要了解spi的四种模式,不同的模式采集数据的方式不一样。
一般内置SPI功能的单片机上,都有两个寄存器配置位CPOL和CPHA。
我们拿STM32单片机来举例,可以通过结构体成员配置。
这是通过固件库直接配置,固件库底层代码也是去配置相应寄存器的。
下面来介绍下CPOL和CPHA到底有什么用。
CPOL就是决定SCLK这个时钟信号线,在没有数据传输的时候的电平状态。
CPOL=0:空闲状态时,SCLK保持低电平
CPOL=1:空闲状态时,SCLK保持高电平
CPHA就是决定数据位传输是从第一个时钟(SCLK)边沿开始,还是第二个从二个时钟(SCLK)边沿开始。
CPHA=0:数据从第一个时钟(SLCK)边沿开始采集
CPHA=1:数据从第二个时钟(SLCK)边沿开始采集
Ok,理解CPOL和CPHA基本概念以后,下面这两个要开始”合体”了。
CPOL和CPHA合体就形成了SPI四种模式。
声明:部分图片源自网络,并非原创哈。
下面再分析下4种模式的区别,比较重要。
因为从机,从机指的是使用SPI协议通信的芯片,比如说w25q64(Flash)芯片,OLED屏等等。
很多从机没有CPOL和CPHA寄存器设置位,如果你看它们数据手册会一脸懵逼,根本找不到这两个东西。
这些都是需要看他们时序图去分析是用什么模式,如果模式不对,数据传输会有问题。
这也是为什么明明自己写了时序用在这个芯片可以,换到别的spi通信的芯片就不行。
1.模式0(CPOL=0,CPHA=0)
模式0特性:
CPOL = 0:空闲时是低电平,第1个跳变沿是上升沿,第2个跳变沿是下降沿
CPHA = 0:数据在第1个跳变沿(上升沿)采样
2.模式1(CPOL=0,CPHA=1)
模式1特性:
CPOL = 0:空闲时是低电平,第1个跳变沿是上升沿,第2个跳变沿是下降沿
CPHA = 1:数据在第2个跳变沿(下降沿)采样
3.模式2(CPOL=1,CPHA=0)
CPOL = 1:空闲时是高电平,第1个跳变沿是下降沿,第2个跳变沿是上升沿
CPHA = 0:数据在第1个跳变沿(下降沿)采样
4.模式3(CPOL=1,CPHA=1)
CPOL = 1:空闲时是高电平,第1个跳变沿是下降沿,第2个跳变沿是上升沿
CPHA = 1:数据在第2个跳变沿(上升沿)采样
不知道你有没有发现,不同的模式,其实就是SCLK空闲时间电平状态和数据采样起点不同
你学废了吗?当初我就是这几种模式看得一脸懵逼。
如果不懂,先从开头继续看,这4种模式是后面分析整体时序图的前提。
二、spi时序图详解
看到这里恭喜你,你马上就能彻底攻破SPI协议了。
Spi时序图,最好的方式就是通过实际应用去学习。
我们拿W25Q64这个Flash芯片举例,这种芯片在SPI通信里都是作为从机的角色,也就SPI Slave。
一般由单片机或者其它处理器作为主控和它通信,SLCK时钟也是由主控发出。
下面是W25Q64读数据指令的时序图,我们以这个例子来讲解下时序图要怎么看。
1.先确定芯片支持什么SPI哪种模式读写数据
确定了用哪种模式,主控,也就是单片机这边才能确定数据采集的方式,主控和从机要保持一致。
从时序图中,不难发现,W25Q64的数据手册直接告诉你支持用SPI模式0和模式3来通信。
有些芯片的数据手册,是没有告诉你的,那怎么知道用芯片哪种模式?
第一步:通过时序图分析CLK空闲时的电平状态,通过上面那个时序图,我们可以得知,高低电平都可以对吧?那我们现在先用CLK空闲时是低电平这种状态继续往下分析。
第二步:分析DI和DO是在CLK的上升沿还是下降沿采集数据,注意DI代表从机(W25Q64)的MISO引脚,DO代表从机(W25Q64)MOSI引脚。
我们主要通过DI和DO在数据有效区时CLK是上升沿还是下降沿,来判断
什么是数据有效区?
大家看上面这张图,我用红色框起来的区域就是数据有效区。
一般数据是通过DI和DO两个引脚传输的,所以数据有效区就是,这一时刻,这两个引脚的只能是稳定高电平或者低电平。
相当于数据有效区的电平就是最终要传输的数据位,低电平代表0,高电平代表1。
传输8个位,代表1个字节的数据。
什么是无效数据区?
例如上图蓝色框的区域就是无效数据区,就是这个时刻CLK数据采集时钟还没来,所以DI和DO引脚的电平都可以任意变化。
理解了这两个概念以后,我们重点需要关心是的DI和DO在数据有效区的时候,CLK是上升沿还是下降沿。
从上图可以看出,DI和DO在数据有效区时,CLK是上升沿,下降沿的时候,DI和DO处于电平可任意变化的无效数据区。
这样,就可以分析出模式了。
首先上升沿采集数据,通过排除法,这样只有模式0和模式3符合条件。
然后就是CLK空闲时间要为低电平,这样就只有模式0符合了。
所以,知道用模式0以后,单片机那边写程序就知道数据是从CLK上升沿读取,或者发送,还是从下降沿了。
2.分析整体时序
分析时序,我们一定要先熟悉这个时序要实现什么功能,不同的功能虽然时序不一样,但是发送数据的顺序和定义不同。
我们现在分析的这个时序是从W25Q64这个Flash芯片读取存储的数据。
我把整个时序按CLK脉冲顺序拆分成3个部分:
①读指令
这里要注意的是,读指令数据是在W25Q64的DI引脚产生的,DI相当于W25Q64的MISO,就是接收主控(一般是单片机)发送过来的数据。
所以,这个读指令(0x03)是单片机发给W25Q64的。
0x03被拆分成8个Bit在DI线上传输,每个CLK上升沿传输1个Bit。
②24位地址
发完读指令以后,单片机继续发24位的内存地址,相当于要读W25Q64哪个内存地址的数据。
这个数据是由单片机程序定的,所以不是固定的,大家可以看到数据位都是可以高电平,也可以是低电平。
③单片机接收数据
这个时候通信双方的角色就变了,单片机变成了数据接收方,W25Q64变成了数据发送方。
因为数据从W25Q64的DO发出了,也就是W25Q64的MOSI引脚。
通过这个时序,单片机就可以读到存储在W25Q64指定地址的数据了。
如果你是我们无际单片机编程学员,看文章还不是很理解的话,可以跟我反馈,反馈的人多就直播讲解,如果少就针对性一对一远程电话讲解。
三、单片机程序注意
51单片机一般没有内置SPI模块,所以整个时序需要自己写程序去模拟,简称模拟SPI。
而STM32单片机一般有内置SPI,就不用自己写程序去模拟时序,直接应用。
但是如果用内置SPI有一个细节,特别容易被忽略,就是你读数据的时候,读一个字节之前要先发一个字节任意值数据。
发一个字节任意值数据是为了在CLK总线上产生时钟,给从机的SPI信号提供时钟用的,从机SPI不会自己产生CLK信号的。
比如我下面这个读数据函数:
能理解到这一步,你基本上就已经吃透SPI协议了。
不管从机怎么换,比如说不是W25Q24了,换成OLED屏了,时序原理也是一样的,只是相关的指令和寄存器不同。
如果对你有帮助,麻烦给我安排个三连趴~
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