STM32 SPI通信协议详细讲解

文章目录

（一）SPI协议简介
（二）SPI物理层
（三）SPI协议层
3.1、SPI基本通信过程
3.2、通信的起始和终止信号
3.3、数据有效性
3.4、CPOL/CPHA及通信模式
（四）STM32的SPI特性及架构
4.1、STM32的SPI外设简介
4.2、STM32的SPI架构剖析
4.2.1、通信引脚
4.2.2、时钟控制逻辑
4.2.3、数据控制逻辑
4.2.4、整体控制逻辑
4.2.5、通信过程

（一）SPI通信简介
SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。

（二）SPI物理层
(1) SS( Slave Select)： 从设备选择信号线，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。
(2) SCK (Serial Clock)： 时钟信号线，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。
(3) MOSI (Master Output， Slave Input)： 主设备输出/从设备输入引脚。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。
(4) MISO(Master Input,，Slave Output)： 主设备输入/从设备输出引脚。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。

（三）SPI协议层

3.1、基本通信过程

这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI 信号都由主机控制产生，而 MISO 的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。

3.2、通讯的起始和停止信号
在图中的标号1处，NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。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。在图中的标号6处，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。
3.3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，一般都会采用图中的 MSB 先行模式。观察图中的2、3、4、5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。
3.4、CPOL/CPHA 及通讯模式
上面讲述的图中的时序只是 SPI 中的其中一种通讯模式，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。

我们来分析这个 CPHA=0 的时序图。首先，根据 SCK 在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK 信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。无论 CPOL=0 还是=1，因为我们配置的时钟相位 CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿。注意当 CPOL=0 的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1 的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以 SPI 的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI 和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变，数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI 和 MISO 的有效信号才发生切换。类似地，当 CPHA=1 时，不受 CPOL 的影响，数据信号在 SCK 的偶数边沿被采样，见下图。

在实际的使用过程中，模式0用的较为常见。

（四）STM32的SPI特性及架构
4.1、STM32 的 SPI 外设简介
STM32 的 SPI 外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的 SCK 时钟频率为 fpclk/2 (STM32F103 型号的芯片默认 fpclk1为 72MHz，fpclk2为36MHz)，完全支持 SPI 协议的 4 种模式，数据帧长度可设置为 8 位或 16 位，可设置数据 MSB 先行或 LSB 先行。它还支持双线全双工(前面小节说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用 MOSI 及 MISO 数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。

4.2、STM32的架构剖析
4.2.1、通讯引脚
SPI 的所有硬件架构都从图 25-5 中左侧 MOSI、MISO、SCK 及 NSS 线展开的。STM32 芯片有多个 SPI 外设，它们的 SPI 通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表。关于 GPIO 引脚的复用功能，可查阅《STM32F10x规格书》，以它为准。

4.2.2、时钟控制逻辑
SCK 线是时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器 CR1”中的 BR[0:2]位控制，该位是对 fpclk时钟的分频因子，对 fpclk的分频结果就是 SCK 引脚的输出时钟频率，计算方法见表。
其中的 fpclk频率是指 SPI 所在的 APB 总线频率，APB1 为 fpclk1，APB2 为 fpckl2。通过配置“控制寄存器 CR”的“CPOL 位”及“CPHA”位可以把 SPI 设置成前面分析的 4 种 SPI 模式。
4.2.3、数据控制逻辑
SPI 的 MOSI 及 MISO 都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标接收、发送缓冲区以及 MISO、MOSI 线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。通过写 SPI的“数据寄存器 DR”把数据填充到发送 F 缓冲区中，通讯读“数据寄存器 DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器 CR1”的“DFF 位”配置
成 8 位及 16 位模式；配置“LSBFIRST 位”可选择 MSB 先行还是 LSB 先行。
4.2.4、整体逻辑控制
整体控制逻辑负责协调整个 SPI 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的 SPI 模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解 SPI 的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 SPI 中断信号、DMA 请求及控制
NSS 信号线。实际应用中，我们一般不使用 STM32 SPI 外设的标准 NSS 信号线，而是更简单地使用普通的 GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。
4.2.5、通讯过程

(1) 控制 NSS 信号线，产生起始信号(图中没有画出)。
(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。
(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。
(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。
(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。假如我们使能了 TXE 或 RXNE 中断，TXE 或 RXNE 置 1 时会产生 SPI 中断信号，进入同一个中断服务函数，到 SPI 中断服务程序后，可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用 DMA 方式来收发“数据寄存器 DR”中的数据。

以下相关的代码：
这里是读写串行FLASH的完整代码链接：
链接：https://pan.baidu.com/s/1aKQV41JFogZRbaHE1ZCa9Q
提取码：2xcq

void SPI_FLASH_Init(void)
{SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;/* 使能SPI时钟 */FLASH_SPI_APBxClock_FUN ( FLASH_SPI_CLK, ENABLE );/* 使能SPI引脚相关的时钟 */FLASH_SPI_CS_APBxClock_FUN ( FLASH_SPI_CS_CLK|FLASH_SPI_SCK_CLK|FLASH_SPI_MISO_PIN|FLASH_SPI_MOSI_PIN, ENABLE );/* 配置SPI的 CS引脚，普通IO即可 */GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_CS_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_Init(FLASH_SPI_CS_PORT, &GPIO_InitStructure);/* 配置SPI的 SCK引脚*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_SCK_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(FLASH_SPI_SCK_PORT, &GPIO_InitStructure);/* 配置SPI的 MISO引脚*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MISO_PIN;GPIO_Init(FLASH_SPI_MISO_PORT, &GPIO_InitStructure);/* 配置SPI的 MOSI引脚*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FLASH_SPI_MOSI_PIN;GPIO_Init(FLASH_SPI_MOSI_PORT, &GPIO_InitStructure);/* 停止信号 FLASH: CS引脚高电平*/SPI_FLASH_CS_HIGH();/* SPI 模式配置 */// FLASH芯片 支持SPI模式0及模式3，据此设置CPOL CPHASPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4;SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;SPI_Init(FLASH_SPIx , &SPI_InitStructure);/* 使能 SPI  */SPI_Cmd(FLASH_SPIx , ENABLE);}

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