1.SPI介绍

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。

1.1特点

  • 全双工通信
    主设备和从设备能够同时发送和接收数据，提高数据传输效率。
  • 同步串行通信
    通过时钟信号同步数据传输，确保数据的准确接收。
  • 主从架构
    一个主设备控制时钟和片选信号，多个从设备通过片选线选择和通信。SPI总线设计为单主机，多主机情况下需要额外硬件管理。通过多条片选线或外部解码器管理多个从设备。每个从设备通常需要独立片选线，增加I/O资源消耗。
  • 高速传输能力
    通常支持几MHz甚至几十MHz的时钟频率，适合高速数据交换。主机最大传输速率可达fPCLK/2。
  • 简单的硬件接口
    仅需4条主要信号线（SCLK、MOSI、MISO、SS），硬件设计简单。
  • 缺少标准错误检测机制
    SPI本身不提供CRC或校验功能，错误检测需上层协议实现。
  • 无仲裁机制
    主设备完全控制总线，不能自动处理总线冲突。
  • 不适合长距离通信
    由于没有差分信号和驱动能力，适合板内或短距离通信。

应用场景

  • 传感器数据采集
  • 闪存、EEPROM读写
  • LCD显示屏驱动
  • 音频DAC/ADC通信
  • 其他高速外设接口

1.2 物理连接

在这里插入图片描述

  • SS( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为 NSS、CS。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。
  • 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。主机SCK频率必须 ≤ 从设备最大支持频率。
  • 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。传输数据时，MSB和LSB先行都是可以设置的。
  • 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。传输数据时，MSB和LSB先行都是可以设置的。

1.3 协议时序

四种模式：
在这里插入图片描述

下图中是模式1，空闲时SCK低电平，采样是偶边沿采样（上升和下降各算一个边沿）。
在这里插入图片描述
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。

  • 通讯的起始和停止信号
    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。

  • 数据有效性、
    如图②-⑤，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”。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。

不同的CPOL

在这里插入图片描述
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2.工程实践

2.1 外设介绍

在大容量产品和互联型产品上，SPI接口可以配置为支持SPI协议或者支持2S音频协议。SPI接口默认工作在SPI方式，可以通过软件把功能从SPI模式切换到I2S模式。注意在小容量和中容量产品上，不支持I2S音频协议。
在这里插入图片描述

  • 通讯引脚
    SCK引脚：SPI1/SPI2/SPI3芯片手册中告知，最大速率18Mbps。
    在这里插入图片描述

NSS引脚：有两种NSS模式，软件和硬件。软件模式即可以用指定的GPIO来进行从设备片选。一般采用这种模式。
MISO/MOSI引脚:数据收发引脚，通过一个数据寄存器（DR）进行收发控制。

主模式收发流程如下： (1) 控制 NSS 信号线，产生起始信号； (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。

2.2 MX配置说明

在这里插入图片描述

  • Mode: Full-Duplex Master
    Full-Duplex 表示SPI支持同时发送和接收数据。Master 表示该设备作为主机控制时钟和片选信号。

  • Hardware NSS Signal: Disable
    是否启用硬件自动管理NSS（片选）信号，Disable 表示由软件手动控制NSS引脚，通常用户自行控制片选信号。

  • Frame Format: Motorola
    SPI数据帧格式，STM32支持两种帧格式：
    Motorola 标准SPI协议格式，最常用。
    TI 表示Texas Instruments的特定帧格式，较少用。、

  • Data Size: 8 Bits
    每次传输的数据位宽，这里表示每个数据单元是8位（1字节）。
    SPI也支持16位或其他位宽。

  • First Bit: MSB First
    传输数据时，先发送最高有效位（MSB）还是最低有效位（LSB）。

  • Prescaler (for Baud Rate): 4
    SPI时钟分频系数，用于控制SPI时钟频率。因为SPI1挂接在APB2总线上，需要除以4来保证不大于18Mbits/s

  • CPOL 时钟极性：
    SPI时钟空闲状态的电平。
    Low(0)：空闲时SCK为低电平。
    High(1)：空闲时SCK为高电平。

  • CPHA：
    SPI时钟采样数据的时刻。
    1 Edge (First Edge)：数据在第一个时钟边沿采样。
    2 Edge (Second Edge)：数据在第二个时钟边沿采样。
    CPOL和CPHA组合决定SPI模式（Mode0~Mode3）。

生成代码后，spi.c中多出的关键代码：

  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4;
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

GPIO对应的代码（略）。

2.3 和FLASH通信

2.3.1 W25Q64 FLASH芯片

在这里插入图片描述

芯片为NOR FLASH，容量为64Mbit（8MB），其中WP 引脚可控制写保护功能，当该引脚为低电平时，禁止写入数据。我们直接接电源，不使用写保护功能。HOLD 引脚可用于暂停通讯，该引脚为低电平时，通讯暂停，数据输出引脚输出高阻抗状态，时钟和数据输入引脚无效。我们直接接电源，不使用通讯暂停功能。
同时它支持 SPI 模式 0 及模式 3，支持双线全双工，使用MSB 先行模式，支持最高通讯时钟为 104MHz，数据帧长度为 8 位。

2.3.2 片选GPIO配置

在这里插入图片描述
这里配置默认输出高电平，推挽输出，同时打上标签。

2.3.3 FLASH指令

在这里插入图片描述
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2.3.4 阻塞式读写

//SPI片选
void SPI_FLASH_NSS(uint8_t nss)
{
    if (nss == 0)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(FLASH_NSS_GPIO_Port, FLASH_NSS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    }
    else
    {
        HAL_GPIO_WritePin(FLASH_NSS_GPIO_Port, FLASH_NSS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    }
}
//SPI收发1个字节 - 阻塞方式
uint8_t SPI_FLASH_SendReadByte(uint8_t Txbyte)
{
    uint8_t RxByte = 0;

    //数据收发
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &Txbyte, &RxByte, 1, 1000);
    
    return RxByte;
}

因为是全双工通信，要收也得发。

2.3.5 读取FLASH 的ID信息

来看看手册中给的读写时序图：
在这里插入图片描述
首先发送0x9F，然后再读写三次，获得ID信息。

代码如下：

#define Dummy_Byte 0xFF 
//SPI-FLASH 读取FLASHID
void SPI_FLASH_READ_FLASHID()
{
    //进行片选
    SPI_FLASH_NSS(0);
    
    //发送 JEDEC 指令
    SPI_FLASH_SendReadByte(0x9F);
    
    //读生产厂商
    uint8_t M = SPI_FLASH_SendReadByte(Dummy_Byte);
    
    //读存储器类型
    uint8_t T = SPI_FLASH_SendReadByte(Dummy_Byte);
    
    //读容量
    uint8_t C = SPI_FLASH_SendReadByte(Dummy_Byte);
    
    //片选结束
    SPI_FLASH_NSS(1);
}

最终读取的和下面W25Q64能匹配上。
在这里插入图片描述
因为只是测试SPI，读写FLASH这里不再罗列，现学现卖即可。

2.3 收发Dummy数据的作用

我们看到，FLASH W25Q64的读写其实在协议层是半双工的，先发，再收，然后收的时候发送的是dummy数据，发dummy的作用：

维持时钟同步！
主设备需继续发送 dummy 数据（通常为 0x00 或固定值），目的是持续生成 SCK 时钟，让从设备有机会在 MISO 线上输出有效数据；
dummy 数据对主设备无意义，仅用于 “驱动时钟”，从设备也不会处理这些数据（协议层已约定 “命令后的数据为有效输出”）。

2.4 SPI DMA读写

SPI阻塞式读写，需反复读取 SPI 状态寄存器（SR），注意是每bit都读，经过实际测试，11M频率下，HAL库读写16bit耗时5us左右，光轮询和检查参数的耗时就有3个us多。想要提速，要么用DMA，要么用LL库。
DMA需要区分单次写还是轮询，具体参考串口的DMA控制。
DMA启动的性能大约在1-2us，还是比阻塞快很多的。

2.5 ADC采集电压

待补充

# stm32 # 单片机 # 嵌入式硬件
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