STM32之SPI原理

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是Motorola公司提出的一种同步串行数据传输标准，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，在很多器件中被广泛应用。

SPI相关缩写

SS: Slave Select，选中从设备，片选。

CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （时钟）极性 

CKPHA (Clock Phase)   = CPHA = PHA = Phase = （时钟）相位

SCK = SCLK = SCL = SPI的时钟（Serial Clock）

Edge = 边沿，即时钟电平变化的时刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)。

对于一个时钟周期内，有两个edge，分别称为：

Leading edge = 前一个边沿 = 第一个边沿，对于开始电压是1，那么就是1变成0的时候，对于开始电压是0，那么就是0变成1的时候；

Trailing edge = 后一个边沿 = 第二个边沿，对于开始电压是1，那么就是0变成1的时候（即在第一次1变成0之后，才可能有后面的0变成1），对于开始电压是0，那么就是1变成0的时候；

接口

SPI接口经常被称为4线串行总线，以主/从方式工作，数据传输过程由主机初始化。

如图1所示，其使用的4条信号线分别为：

1) SCLK：串行时钟，用来同步数据传输，由主机输出；

2) MOSI：主机输出从机输入（Master Output Slaver Input）数据线；

3) MISO：主机输入从机输出数据线；

4) SS：片选线，低电平有效，由主机输出。

在SPI总线上，某一时刻可以出现多个从机，但只能存在一个主机，主机通过片选线来确定要通信的从机。这就要求从机的MISO口具有三态特性，使得该口线在器件未被选通时表现为高阻抗。

SPI由于接口相对简单（只需要4根线），用途算是比较广泛，主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

即一个SPI的Master通过SPI与一个从设备，即上述的那些Flash，ADC等的Slaver SPI进行通讯。而主从设备之间通过SPI进行通讯，首先要保证两者之间时钟SCLK要一致，互相要商量好了，要匹配，否则，就没法正常通讯了，即保证时序上的一致才可正常讯。而这里的SPI中的时钟和相位，指的就是SCLk时钟的特性，即保证主从设备两者的时钟的特性一致了，以保证两者可以正常实现SPI通讯。

数据传输

在一个SPI时钟周期内，会完成如下操作：

1) 主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据；

2) 从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。

这是通过移位寄存器来实现的。如图2所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

时钟极性和时钟相位

在SPI操作中，最重要的两项设置就是时钟极性（CPOL或UCCKPL）和时钟相位（CPHA或UCCKPH）。时钟极性设置时钟空闲时的电平，时钟相位设置读取数据和发送数据的时钟沿。

主机和从机的发送数据是同时完成的，两者的接收数据也是同时完成的。所以为了保证主从机正确通信，应使得它们的SPI具有相同的时钟极性和时钟相位。

CPOL极性

先说什么是SCLK时钟的空闲时刻，其就是当SCLK在发送8个bit比特数据之前和之后的状态，与此对应的，SCLK在发送数据的时候，就是正常的工作的时候，有效active的时刻了。

先说英文，其精简解释为：Clock Polarity = IDLE state of SCK。

再用中文详解：

SPI的CPOL，表示当SCLK空闲idle的时候，其电平的值是低电平0还是高电平1：

CPOL=0，时钟空闲idle时候的电平是低电平，所以当SCLK有效的时候，就是高电平，就是所谓的active-high；

CPOL=1，时钟空闲idle时候的电平是高电平，所以当SCLK有效的时候，就是低电平，就是所谓的active-low；

CPHA相位

首先说明一点，capture strobe = latch = read = sample，都是表示数据采样，数据有效的时刻。

相位，对应着数据采样是在第几个边沿（edge），是第一个边沿还是第二个边沿，0对应着第一个边沿，1对应着第二个边沿。

CPOL=0：

对于CPHA=0，idle时候的是低电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

对于CPHA=1，idle时候的是低电平，第二个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

CPOL=1：

对于CPHA=0，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

对于CPHA=1，idle时候的是高电平，第二个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

用图文形式表示，更加容易看懂：

CKP和CKE

CKP和CKE是Microchip的PIC系列芯片中的说法。

（1）CKP是Clock Polarity Select，就是极性=CPOL：

CKP，虽然名字和CPOL不一样，但是都是指时钟极性的选择，定义也一样：

CKP: Clock Polarity Select bit

1 = Idle state for clock (CK) is a high level

0 = Idle state for clock (CK) is a low level

所以不多解释。

（2）CKE是Clock Edge Select，就是相位=CPHA：

CKE: SPI Clock Edge Select bit

1 = Transmit occurs on transition from active to Idle clock state

0 = Transmit occurs on transition from Idle to active clock state

意思是：

1 =（数据）传输发生在时钟从有效状态转到空闲状态的那一时刻

0 =（数据）传输发生在时钟从空闲状态转到有效状态的那一时刻

其中，数据传输的时刻，即上图中标出的“数据transmit传输的时刻”。

CKE的定义也跟CPHA相同。

所以，CKP和CKE所对应的取值的含义为：

When CKP = 0:

CKE=0 => Data transmitted on rising edge of SCK（idle时候是低电平，从空闲到有效，就是从低电平到高电平，所以是上升沿）

CKE=1 => Data transmitted on falling edge of SCK（idle时候是低电平，从有效到空闲，就是从高电平到低电平，所以是下降沿）

When CKP = 1:

CKE=0 => Data transmitted on falling edge of SCK（idle时候是高电平，从空闲到有效，就是从高电平到低电平，所以是下降沿）

CKE=1 => Data transmitted on rising edge of SCK（idle时候是高电平，从有效到空闲，就是从低电平到高电平，所以是上升沿）

举例来说，分别选取MSP430控制器和OLED驱动SH1101A为主从机，图3和图4为它们的SPI时序。由图4可知，SH1101A的SPI时钟空闲时为高电平，并且在后时钟沿接收数据（后时钟沿在数据的中间部位），则MSP430控制器SPI的设置应与此保持一致。从图3中可以看出，要使得时钟在空闲时为高电平，应将UCCKPL置1；要使得在后时钟沿接收数据，应将UCCKPH清零。

下面再列出其他一些地方找到的，常见的SPI的四种模式的时序图，供参考：

如何看懂和记忆CPOL和CPHA

所以，关于在其他地方介绍的，看似多么复杂难懂难记忆的CPOL和CPHA，其实经过上面解释，就肯容易看懂了：

去看时序图，如果时钟SCLK的起始电平是0，那么CPOL=0，如果是1，那么CPOL=1。

然后看数据采样时刻，即时序图数据线上的数据矩形区域的中间所对应的位置，对应到上面SCLK时钟的位置，对应着是第一个边沿或是第二个边沿，即CPHA是0或1。（对应的是上升沿还是下降沿，要根据对应的CPOL的值，才能确定）。

即：

（1）如何判断CPOL：SCLK的空闲时候电压是0还是1，决定了CPOL是0还是1；

（2）如何判断CPHA：而数据采样时刻对应着的SCLK的电平，是第一个边沿还是第二个边沿，对应着CPHA为0还是1。

软件中如何设置SPI的极性和相位

SPI分主设备和从设备，两者通过SPI协议通讯。

设置SPI的模式，是从设备的模式，决定了主设备的模式。

所以要先去搞懂从设备的SPI是何种模式，然后再将主设备的SPI的模式，设置和从设备相同的模式，即可正常通讯。

对于从设备的SPI是什么模式，有两种：

（1）固定的，设备硬件决定的。

SPI从设备，具体是什么模式，相关的datasheet中会有描述，需要自己去datasheet中找到相关的描述，即：

关于SPI从设备，在空闲的时候，是高电平还是低电平，即决定了CPOL是0还是1；

然后再找到关于设备是在上升沿还是下降沿去采样数据，这样就是，在定了CPOL的值的前提下，对应着可以推算出CPHA是0还是1了。

举例1：

CC2500 - Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver的datasheet中SPI的时序图是：

从图中可以看到，最开始的SCLK和结束时候的SCLK，即空闲时刻的SCLK，是低电平，推导出CPOL=0，然后可以看到数据采样的时候，即数据最中间的那一点，对应的是SCLK的第一个边沿，所以CPHA=0（此时对应的是上升沿）。

举例2：

SSD1289 - 240 RGB x 320 TFT LCD Controller Driver的datasheet中提到：

“SDI is shifted into 8-bit shift register on everyrising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.”

意思是，数据是在上升沿采样，所以可以断定是CPOL=0，CPHA=0，或者CPOL=1，CPHA=1的模式，但是至于是哪种模式。

按理来说，接下来应该再去确定SCLK空闲时候是高电平还是低电平，用以确定CPOL是0还是1，但是datasheet中没有提到这点。

所以，此处，目前不太确定，是两种模式都支持，还是需要额外找证据却确定CPOL是0还是1.

（2）可配置的，由软件自己设定

从设备也是一个SPI控制器，4种模式都支持，此时只要自己设置为某种模式即可。

然后知道了从设备的模式后，再去将SPI主设备的模式，设置为和从设备模式一样，即可。

对于如何配置SPI的CPOL和CPHA的话，不多细说，多数都是直接去写对应的SPI控制器中对应寄存器中的CPOL和CPHA那两位，写0或写1即可。

举例：

此处遇到的C8051F347中的SPI就是一个SPI的controller控制器，即支持软件配置CPOL和CPHA的值，四种模式都支持，此处C8051F347作为SPI从设备，设置了CPOL=1，CPHA=0的模式，因此，此处对应主芯片Blackfin F537中的SPI控制器，作为Master主设备，其SPI的模式也要设置为CPOL=1，CPHA=0。

优缺点

SPI接口具有如下优点：

1) 支持全双工操作；

2) 操作简单；

3) 数据传输速率较高。

同时，它也具有如下缺点：

1) 需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；

2) 只支持单个主机。