SPI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。
SPI接口主要应用在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。SPI是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议,比如AT91RM9200。
SPI分为主、从两种模式,一个SPI通讯系统需要包含一个(且只能是一个)主设备,一个或多个从设备。SPI接口的读写操作,都是由主设备发起。当存在多个从设备时,通过各自的片选信号进行管理。
优点:支持全双工通信、通信简单、数据传输速率快;
缺点:没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据,所以跟IIC总线协议比较在数据的可靠性上有一定的缺陷。
SPI引脚说明
SS:从设备选择信号线,常称为片选信号线,也称为NSS、CS。
每个从设备都有独立的这一条SS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。当主机要选择从设备时,把该从设备的SS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SS线置低电平为开始信号,以SS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
每它由通讯主机产生,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。
。
MOSI (Master Output, Slave Input):主设备输出/从设备输入引脚。
MISO(Master Input,,Slave Output):主设备输入/从设备输出引脚。
SPI协议层
SPI基本通讯过程
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,当从机检在自己的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。
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。
SPI通讯模式
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。
SPI通信有4种不同的模式,不同的从设备可能在出厂是就是配置为某种模式,这是不能改变的;但我们的通信双方必须是工作在同一模式下,所以我们可以对我们的主设备的SPI模式进行配置,通过CPOL(时钟极性)和CPHA(时钟相位)来控制我们主设备的通信模式,具体如下:
STM32的SPI架构剖析
通讯引脚
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,以《STM32F10x规格书》为准。
其中SPI1是APB2上的设备,最高通信速率达36Mbtis/s,SPI2、SPI3是APB1上的设备,最高通信速率为18Mbits/s。除了通讯速率,在其它功能上没有差异。
时钟控制逻辑
SCK线的时钟信号,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
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来源于接收缓冲区及发送缓冲区。
通过写SPI的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中。
通过读“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。
整体控制逻辑
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“控制寄存器(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)”,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,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。
通讯过程
控制NSS信号线,产生起始信号;
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;
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;
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;
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。
SPI编程
SPI相关配置库函数
初始化函数
void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);
作用:初始化SPI的相关参数,比如方向(全双工)、主从模式、数据大小、CPOL、CPHA、片选软件模式、预分频系数等。
3个使能函数
void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_ITConfig(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT, FunctionalState NewState);
void SPI_I2S_DMACmd(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_DMAReq, FunctionalState NewState);
作用:使能SPI接口;使能SPI中断;使能SPI的DMA功能。
2个数据传输函数
void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);
4个状态位函数
FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
void SPI_I2S_ClearFlag(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);
ITStatus SPI_I2S_GetITStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);
void SPI_I2S_ClearITPendingBit(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);
作用:前两者用于获得和清除SPI的各种状态位;后两者则针对SPI的中断标志位。
SPI一般步骤
实验目标:利用SPI2进行初始化等操作。
配置相关引脚的复用功能,使能SPIx时钟。调用函数:void GPIO_Init();
初始化SPIx,设置SPIx工作模式。调用函数:void SPI_Init();
使能SPIx。调用函数:void SPI_Cmd();
SPI传输数据。调用函数:void SPI_I2S_SendData()uint16_t SPI_I2S_ReceiveData();
查看SPI传输状态。调用函数:SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE)。
void SPI2_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB时钟使能
RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE );//SPI2时钟使能
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //PB13/14/15复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15); //PB13/14/15上拉
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //设置SPI工作模式:设置为主SPI
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //串行同步时钟的空闲状态为高电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS信号由硬件(NSS管脚)还是软件(使用SSI位)管理:内部NSS信号有SSI位控制
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC值计算的多项式
SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure); //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //使能SPI外设
SPI2_ReadWriteByte(0xff);//启动传输
}
//SPI 速度设置函数
//SpeedSet:
//SPI_BaudRatePrescaler_2 2分频
//SPI_BaudRatePrescaler_8 8分频
//SPI_BaudRatePrescaler_16 16分频
//SPI_BaudRatePrescaler_256 256分频
void SPI2_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{
assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));
SPI2->CR1&=0XFFC7;
SPI2->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler; //设置SPI2速度
SPI_Cmd(SPI2,ENABLE);
}
//SPIx 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData)
{
u8 retry=0;
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //检查指定的SPI标志位设置与否:发送缓存空标志位
{
retry++;
if(retry>200)return 0;
}
SPI_I2S_SendData(SPI2, TxData); //通过外设SPIx发送一个数据
retry=0;
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) //检查指定的SPI标志位设置与否:接受缓存非空标志位
{
retry++;
if(retry>200)return 0;
}
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2); //返回通过SPIx最近接收的数据
}
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