软件模拟SPI接口程序代码(4种模式)

SPI协议简介

SPI的通信原理很简单，一般主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，通常采用的是4根线，它们是MISO(数据输入，针对主机来说)、MOSI(数据输出，针对主机来说)、SCLK(时钟，主机产生)、CS/SS(片选，一般由主机发送或者直接使能，通常为低电平有效)

●SPI接口介绍

SCK：时钟信号，由主设备产生，所以主设备SCK信号为输出模式，从设备的SCK信号为输入模式。

CS：使能信号，由主设备控制从设备，，所以主设备CS信号为输出模式，从设备的CS信号为输入模式。

MOSI：主设备数据输出，从设备数据输入，所以主设备MOSI信号为输出模式，从设备的MOSI信号为输入模式。

MISO：主设备数据输入，从设备数据输出，所以主设备MISO信号为输入模式，从设备的MISO信号为输出模式。

●SPI接口连接图

注意：MOSI和MISO不能交叉连接(可以把主从机理解为一个整体系统，MOSI为系统主机发送从机接收的数据线，MISO为主机接收从机发送的数据线)

●SPI数据传输方向

SPI作为全双工的的串行通信协议，数据传输时高位在前，低位在后。主机和从机公用由主机产生的SCK信号，所以在每个时钟周期内主机和从机有1bit的数据交换(因为MOSI和MISO数据线上的数据都是在时钟的边沿处被采样)。如下图：

SPI协议规定数据采样是在SCK的上升沿或下降沿时刻(由SPI模式决定，下面会说到)，观察上图，在SCK的边沿处(上升沿或下降沿)，主机会在MISO数据线上采样(接收来从机的数据)，从机会在MOSI数据线上采样(接收来自主机的数据)，所以每个时钟周期中会有一bit的数据交换。

SPI传输模式

SPI总线传输一共有４种模式，这４种模式分别由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)来定义。

CPOL：规定了SCK时钟信号空闲状态的电平

CPHA：规定了数据是在SCK时钟的上升沿还是下降沿被采样

----------- ------------------------------------

模式0：CPOL=0，CPHA =0  SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)

模式1：CPOL=0，CPHA =1  SCK空闲为低电平，数据在SCK的下降沿被采样(提取数据)

模式2：CPOL=1，CPHA =0  SCK空闲为高电平，数据在SCK的下降沿被采样(提取数据)

模式3：CPOL=1，CPHA =1  SCK空闲为高电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)

以模式0为例：SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)，在SCK的下降沿切换数据线的数据。

◐在时钟的第1个上升沿(游标1处)(采样点)

MOSI上数据为1，则在此边沿从机采样(提取)数据为1，采样点在MOSI数据线的中间。

MISO上数据为0，则在此边沿主机采样(提取)数据为0，采样点在MISO数据线的中间。

◐在时钟的第1个下降沿(游标2处)(切换点)

MOSI上数据由1切换为0，，数据在时钟下降沿时切换数据。

MISO上数据由0切换为1，，数据在时钟下降沿时切换数据。

◐在时钟的第2~8个上升沿(采样点)，主机在MISO上采样数据，从机在MOSI上采样数据。

◐在时钟的第2~8个下降沿(切换点)，主机在MISO上切换数据，从机在MOSI上切换数据

通过模拟SPI程序来加深理解

使用STM32L4R5ZI MCU进行的测试

初始化代码：

/**SPI1 GPIO Configuration

PA5 ------> SPI1_SCK

PA6 ------> SPI1_MISO

PA7 ------> SPI1_MOSI

*/

#define SPI_SCK_PIN GPIO_PIN_5

#define SPI_SCK_GPIO_PORT GPIOA

#define SPI_MOSI_PIN GPIO_PIN_7

#define SPI_MOSI_GPIO_PORT GPIOA

#define SPI_MISO_PIN GPIO_PIN_6

#define SPI_MISO_GPIO_PORT GPIOA

#define SPI_NSS_PIN GPIO_PIN_14

#define SPI_NSS_GPIO_PORT GPIOD

#define SPI_SCK_GPIO_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()

#define SPI_MISO_GPIO_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()

#define SPI_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()

#define SPI_NSS_GPIO_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE()

#define MOSI_H HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_SET)

#define MOSI_L HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_RESET)

#define SCK_H HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_SET)

#define SCK_L HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_RESET)

#define MISO HAL_GPIO_ReadPin(SPI_MISO_GPIO_PORT, SPI_MISO_PIN)

#define NSS_H HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_SET)

#define NSS_L HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_RESET)

·

void SPI_Init(void)

{

/*##-1- Enable peripherals and GPIO Clocks #########################*/

/* Enable GPIO TX/RX clock */

SPI_SCK_GPIO_CLK_ENABLE();

SPI_MISO_GPIO_CLK_ENABLE();

SPI_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE();

SPI_NSS_GPIO_CLK_ENABLE();

/*##-2- Configure peripheral GPIO #######################*/

/* SPI SCK GPIO pin configuration */

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

GPIO_InitStruct.Pin = SPI_SCK_PIN;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

//GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;

GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;

HAL_GPIO_Init(SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_SET);

/* SPI MISO GPIO pin configuration */

GPIO_InitStruct.Pin = SPI_MISO_PIN;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

HAL_GPIO_Init(SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

/* SPI MOSI GPIO pin configuration */

GPIO_InitStruct.Pin = SPI_MOSI_PIN;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

HAL_GPIO_Init(SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_SET);

GPIO_InitStruct.Pin = SPI_NSS_PIN;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

HAL_GPIO_Init(SPI_NSS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_SET);

}

模拟SPI4种工作模式：

/* CPOL = 0, CPHA = 0, MSB first */

uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE0( uint8_t write_dat )

{

uint8_t i, read_dat;

for( i = 0; i < 8; i++ )

{

if( write_dat & 0x80 )

MOSI_H;

else

MOSI_L;

write_dat <<= 1;

delay_us(1);

SCK_H;

read_dat <<= 1;

if( MISO )

read_dat++;

delay_us(1);

SCK_L;

__nop();

}

return read_dat;

}

/* CPOL=0，CPHA=1, MSB first */

uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE1(uint8_t byte)

{

uint8_t i,Temp=0;

for(i=0;i<8;i++) // 循环8次

{

SCK_H; //拉高时钟

if(byte&0x80)

{

MOSI_H; //若最到位为高，则输出高

}

else

{

MOSI_L; //若最到位为低，则输出低

}

byte <<= 1; // 低一位移位到最高位

delay_us(1);

SCK_L; //拉低时钟

Temp <<= 1; //数据左移

if(MISO)

Temp++; //若从从机接收到高电平，数据自加一

delay_us(1);

}

return (Temp); //返回数据

}

/* CPOL=1，CPHA=0, MSB first */

uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE2(uint8_t byte)

{

uint8_t i,Temp=0;

for(i=0;i<8;i++) // 循环8次

{

if(byte&0x80)

{

MOSI_H; //若最到位为高，则输出高

}

else

{

MOSI_L; //若最到位为低，则输出低

}

byte <<= 1; // 低一位移位到最高位

delay_us(1);

SCK_L; //拉低时钟

Temp <<= 1; //数据左移

if(MISO)

Temp++; //若从从机接收到高电平，数据自加一

delay_us(1);

SCK_H; //拉高时钟

}

return (Temp); //返回数据

}

/* CPOL = 1, CPHA = 1, MSB first */

uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE3( uint8_t write_dat )

{

uint8_t i, read_dat;

for( i = 0; i < 8; i++ )

{

SCK_L;

if( write_dat & 0x80 )

MOSI_H;

else

MOSI_L;

write_dat <<= 1;

delay_us(1);

SCK_H;

read_dat <<= 1;

if( MISO )

read_dat++;

delay_us(1);

__nop();

}

return read_dat;

}