嵌入式学习笔记——SPI通信

前言

之前已经介绍了STM32的ADC、DMA、EXTI、TIME、NVIC、USART以及普通IO模式，此系列笔者还打算写最后三个大的内容，分别是SPI通信、IIC通信以及看门狗，后面就看大家的需求了，需要什么可以留在评论区，本文首先来介绍SPI的有关知识。

SPI总线概述

在通信协议分类的介绍中，提到过SPI，它是一种同步 串行 全双工（也可半双工）通信协议，是最常用的板级通信总线。为什么要加总线作为它的定语呢，原因就是这个协议可以实现一主多从的通信，多个从机和主机通过SPI所需的信号线连接在一起，就拿之前的串口通信来说，串口通信是一主一从的通信方式，主机TX接从机的RX，主机的RX接从机的TX，除了共地以外还需要两个通信线；而SPI通信除了共地以外需要四个信号线进行传输，根据它同步串行全双工的特点，可以分析出它必然具有同步时钟线，以及两个串行数据线来实现全双工通信，至于第四个信号线，是用来判断具体与哪个从机进行通信的片选线。

名称	功能
MOSI	主输出从输入
MISO	主输入从输出
SCLK	同步时钟线
CS	片选线

SPI通信拓扑图

上面提到过，SPI是一种通信总线，这也意味着在一组信号线上可能存在多个从机，那么具体的连接方式拓扑图是怎么样的呢
1.一主一从


注意上图中的MOSI和MOSI分别用了DO和DI来表示，这里需要了解一下生产厂商常用的别称，如下所示：
MISO：SIMO、DOUT、DO、SDO或SO（在主机端）;

MOSI：SOMI、DIN、DI、SDI或SI（在主机端）;

CS：CE、NSS、CE或SSEL;

SCLK也可以是SCK;
2.一主多从：
如下图所示，就是一个主机与多个主机连接的一种方式，主机与各个从机直接共同连接在SCLK、MOSI、MISO上，除此之外，每个从机还单独有一个SS片选与主机连接，通信时，主机通过拉低对应从机的SS来选择通信对象。

除此之外还有一个菊花链的拓扑连接方式，这个大家可以去下面两篇博客中查看，关于SPI的详细介绍也可以查看这两篇大佬的分析，很透彻。

1. SPI协议详解（图文并茂+超详细）http://t.csdn.cn/qaS7h
2. 一文搞懂SPI通信协议http://t.csdn.cn/gTKQq

STM32的SPI通信

关于STM32的SPI通信，也有两种方案，这个在串口通信的时候我们也提到过，
方案一就是使用STM32集成好的SPI控制器，与之前使用USART一样，按照自己需求配置好对应的寄存器以及通信模式后就可以直接通过SPI控制器来实现收发，不需要编程实现底层的具体发送方式；
方案二是使用IO口模拟SPI的时序，参照SPI通信的时序图，操作GPIO口实现数据的收发，模拟SPI的好处在于不必拘束于固定的管脚，随便一组管脚都可以，只是需要自己编写底层的发送函数，实现01010之类的发送。本文笔者会将两种方式都介绍一下。
首先，还是参照之前的模式，先介绍使用控制器实现的过程。

SPI的特性

首先还是来过一下STM32的SPI的特性，
第一，基于三条线的全双工同步传输，也就是常说的四线SPI，这里的三条线是不包括NSS片选线的；注意，还有一种三线SPI，这里的三线是缺少MOSI或者是MISO其中的一根，双方通过一个数据线进行数据交换，同一时间只能主发从收或者主收从发，这种三线SPI是一种半双工模式，有些类似后面会介绍的IIC的通信方式；
第二，STM32 SPI的数据帧可以是八位或者是16位数据，也就是说SPI控制器可以一次性发送16位数据或者8位数据，而我们之前的USART是只能发送8位或者9位数据；
第三，SPI控制器具有主从模式可以设置，也就是说，STM32上集成的SPI既可以做主机也可以作为从机，在使用过程中需要我们进行配置；
第四，SPI的最大通信频率是40MHZ，而f_PCLK是84MHZ（由所挂接的时钟线决定），所以最大的通信速率是f_PCLK/2，40MHZ的传输速率已经比IIC和USART快很多了。而且SPI控制器还可以使用快速模式的通信方式，将两个数据线同时作为传输，一般用不上，做个了解即可。
第五，SPI控制器有可编程的时钟极性与时钟相位，关于时钟极性与时钟相位，它们两个分别有两个状态，时钟极性有0与1两个状态，决定时钟是高有效还是低有效；而时钟相位决定的是第一个时钟边沿有效还是第二个时钟边沿有效，它们两两组合，构成了SPI的四种模式，
时钟极性CPOL
当时钟极性为0的时候，时钟线空闲状态是低电平状态
当时钟极性为1的时候，时钟线空闲状态是高电平状态
时钟相位CPHA
当时钟相位为0的时候，数据在第一个跳变沿被采样（数据采集）
当时钟相位为1的时候，数据在第二个跳变沿被采样

模式	CPOL（时钟极性）	CPHA(时钟相位)	数据收发
模式0	0	0	空闲时时钟线为低电平，第一个时钟边沿采集数据
模式1	0	1	空闲时时钟线为低电平，第二个时钟边沿采集数据
模式2	1	0	空闲时时钟线为高电平，第一个时钟边沿采集数据
模式3	1	1	空闲时时钟线为高电平，第二个时钟边沿采集数据

常用的是模式3与模式0，而且一般来说支持模式0的器件也支持模式3的通信方式，支持模式1的也支持模式2的通信方式。
第六，SPI控制器也有对应的状态位可以产生发送完成和接收完成的标志，而且其传输是高位先发还是低位先发都可以进行编程控制。

SPI控制器的框图

在了解了SPI控制器的相关特性后，接下来就是它的框图介绍了，其整体框图如下图所示，不难发现，这个框图的整体不是很复杂，我们来稍作拆分介绍一下。

引脚

首先是左边的四个GPIO口，它们各自的功能如下图所示：

这里注意的NSS片选，我们在使用过程过程中一般禁止此处的NSS，用内部的软件管理来屏蔽这个NSS，用另外一个GPIO来专门操作控制从机，在需要通信时拉低对应的管脚即可。

数据收发过程

当使用四线SPI实现收发时，主机数据发送过程如下图中绿色线的流程，首先由MCU将数据写入发送缓冲区，然后再将数据由发送缓冲区并行转移到移位寄存器，根据LSB的设置，看是地位先发还是高位先发，然后再由移位寄存器一位一位的将数据发送到MOSI管脚上
主机数据接收过程，如下图红色线所示，有MISO输入数据，然后进入移位寄存器，接收完毕后经过移位寄存器并行转移到接收缓冲区，然后CPU在接收缓冲区中读取数据。
注：

1. 下图中蓝色框里面还有两个箭头，一个是从MOSI指向MISO的，另一个是从MISO指向MOSI的，而且看起来是受到主控制逻辑的管理的，这里的两个箭头有两个作用，一是使用三线SPI时，会舍弃一个数据传输脚，使用MOSI或者MISO中的任意一个，此时这一个数据脚既要发送又要接收，就需要使用到蓝色框内的箭头；另外一个作用是使用更快的传输模式时，会使用两个数据脚同时由主机向从机或者由从机向主机写数据，这个时候也需要使用到蓝色框内的箭头。
2. 橙色框的NSS片选本来是SPI控制器内部集成的片选脚，但是我们实际使用过程一般不用，所以在配置过程中会使用软件管理来屏蔽掉它，让它作为一个普通的GPIO口；而实际的片选脚会根据硬件连接的管脚进行配置。
   
   类似下图，假设此时使用三线SPI的半双工模式，只有MOSI一个脚，此时数据数据输入时就需要使用到上图蓝色框内的箭头，编程下图橙色线的流程。而输出方式不变，同样的，只留下MISO亦是如此。
   

时钟以及控制部分

首先来看时钟部分，作为主机使用时，STM32的SPI控制器需要提供Sclk时钟信号，其产生方式就是下图的波特率发生器，对于这个波特率发生器在框图中可以看出留给我们操作的只有CR1寄存器的BR[2:0]共三位，按照前面的介绍以及以前的经验，这三位肯定是用来空时分频系数的，也就是决定通信速率的，在特性那里我们提到了，SPI的最大通信速率是40Mhz也就是说，此处的分频估计最少也是一个2分频。

然后是主控制逻辑，主控制逻辑部分就是关于模式，单个数据线还是两个数据线，主模式还是从机模式、是否只读这些进行选择。具体的在编程手册查看寄存器SPI_CR1寄存器介绍。
最后是通信控制，通信控制部分首先是最右边橙色框内有一个数据选择器，其中一路来自上面提到得NSS，另外的一路输入来自SSI，控制选择的是SSM。这里我们选用的是使用软件从器件管理。

然后通讯控制还有输出上方蓝色框的各种标志位，发送完成以及接收完成这些，主要用于中断或者DMA关于这个详细的在SPI_CR2寄存器的介绍。这里仅需要知道有这个东西即可。

SPI寄存器简介

1.SPI 控制寄存器 1 (SPI_CR1)（不用于 I2S 模式）
写法：SPIX->CR1
位 0 CPHA：时钟相位 (Clock phase)
位1 CPOL：时钟极性 (Clock polarity)
位 2 MSTR：主模式选择 (Master selection) 选择主模式
位 5:3 BR[2:0]：波特率控制 (Baud rate control) 选2分频
位 6 SPE：SPI 使能 (SPI enable) 放在最后
位 7 LSBFIRST：帧格式 (Frame format) 一般选择高位先发
位8 SSI: 内部从器件选择
位 9 SSM：软件从器件管理 (Software slave management)
位9：8 设置软件管理。什么是软件管理？
NSS引脚属于硬件SPI 片选引脚。把NSS引脚设置为软件管理之后，这个引脚相当于当作普通IO口使用。为什么要把它设置成普通IO口使用。因为当SPI总线外接多个从机时，是通过片选引脚进行选择。把NSS引脚设置为软件管理之后，片选引脚就可以接任意一个IO口都可以，这就方便很多了。
把位9 和 位8 都 设置为1，就是把NSS设置为软件管理。

位 10 RXONLY：只接收 (Receive only) 全双工
位 11 DFF：数据帧格式 (Data frame format 数据位
位 15 BIDIMODE：双向通信数据模式使能 (Bidirectional data mode enable)
选择3线制SPI 还是4线制的SPI 结合硬件
2.SPI 控制寄存器 2 (SPI_CR2)
写法：SPIx->CR2
主要是中断使能和DMA使能

3.SPI 状态寄存器 (SPI_SR)
写法：SPIx->SR
位 0 RXNE：接收缓冲区非空 (Receive buffer not empty)
位 1 TXE：发送缓冲区为空 (Transmit buffer empty)

4.SPI 数据寄存器 (SPI_DR)
写法：SPIx->DR
发送数据SPI1->DR=data
接收数据data = SPI1->DR
如果是8位数据位，则数据寄存器的低8位为有效位
如果使用16为数据为，则整个DR为有效位

SPI初始化代码流程

根据上面的介绍即可总结出SPI控制器的初始化流程
伪代码：

SPI初始化
{
    
    
  /*IO口控制器配置*/
	//端口时钟使能
	//端口模式配置
	//具体复用功能配置
 	//输出类型配置
    //输出速度配置
	/*SPI1控制器配置*/
	//SPI1模块时钟使能
	//CR1
	//双向单向 全双工
	//8位数据帧
	//全双工
	//软件从器件管理//
	//主机模式
	//先发高位
	//4分频    
	//主配置
	//0.0模式
	//CR2
	//MOT模式
	//CFGR
	//SPI模式
	//SPI使能
}

SPI数据收发函数
{
    
    
  //等待发送

  发送数据
 
  //等待接收
  接收数据
}

SPI初始化代码

/*******************************************
*函数名    :spi1_init
*函数功能  :SPI1初始化配置
*函数参数  :无
*函数返回值:无
*函数描述  :
SCK------PB3   //复用输出 
MISO-----PB4   //复用输出
MOSI-----PB5   //复用输出
*********************************************/
void spi1_init(void)
{
    
    
	/*IO口控制器配置*/
	//端口时钟使能
	RCC->AHB1ENR |= (1<<1);   //B组
	//端口模式配置
	GPIOB->MODER &= ~((3<<6)|(3<<8)|(3<<10));
	GPIOB->MODER |= ((2<<6) |(2<<8)| (2<<10));
	//具体复用功能配置
	GPIOB->AFR[0] &= ~((15<<12)|  (15<<16) |  (15<<20));
	GPIOB->AFR[0] |= ((5<<12)|  (5<<16)|(5<<20));
  //输出类型配置
	GPIOB->OTYPER &= ~((1<<3) | (1<<4) | (1<<5));
  //输出速度配置
	GPIOB->OSPEEDR &= ~((3<<6)| (3<<8) | (3<<10));
	GPIOB->OSPEEDR |= ((2<<6)| (2<<8) | (2<<10));   //50M
	
	/*SPI1控制器配置*/
	//SPI1模块时钟使能
	RCC->APB2ENR |= (1<<12);
	//CR1
//	SPI1->CR1 &= ~(1<<15);    //单线双向
	SPI1->CR1 |= (1<<15);    //双线双向
	SPI1->CR1 &= ~(1<<11);    //8位数据帧
	SPI1->CR1 &= ~(1<<10);    //全双工
	SPI1->CR1 |= (1<<9);      //软件从器件管理//
	SPI1->CR1 |= (1<<8);      //主机模式
	SPI1->CR1 &= ~(1<<7);     //先发高位
	SPI1->CR1 |= (1<<3);      //4分频    
	SPI1->CR1 |= (1<<2);      //主配置
	SPI1->CR1 &= ~(3<<0);     //0.0模式
	//CR2
	SPI1->CR2 &= ~(1<<4);     //MOT模式
	//CFGR
	SPI1->I2SCFGR &= ~(1<<11);  //SPI模式
	
	//SPI使能
	SPI1->CR1 |= (1<<6);
}


/*******************************************
*函数名    :spi1_byte
*函数功能  :SPI1传输一个字节函数
*函数参数  :u8 data
*函数返回值:u8
*函数描述  :
						发送数据时候只需要关注参数
            接收数据的时候，关注返回值，
								参数随便传一个数值
*********************************************/
u8 spi1_byte(u8 data)
{
    
    
	u8 val;
	
	/*发送*/
	//等待之前的数据发送完成
	while(!(SPI1->SR & (1<<1)));
	//将要发送的数据赋值给DR
	SPI1->DR = data;

	/*接收*/
	//等待有数据就接收
	while(!(SPI1->SR & (1<<0)));
	//将DR数据赋值给变量
	val = SPI1->DR;
	
	return val;
}

SPI使用IO模拟的代码思路

找到对应的硬件设备接口
LCD_SPI2_MOSI   ---- 发送数据  PB15
LCD_SPI2_SCLK                 PB13
LCD_SPI2_MISO--------并不是屏幕上面没有这根线，而是没有使用到所以没有接
//注意使用的是IO口模拟来实现的功能，所以GPIO口需要配置为推挽输出。
SPI的初始化
{
    
    
  //打开时钟   PB
  //配置IO控制器
  //PB13   PB15通用推挽输出
}

SPI数据收发函数
{
    
    
  u8 buff;
  时钟线拉低
  数据线输出拉高
  
  for(循环八次)
  {
    
    
     //如何发送
时钟线拉低;   //控制发送
     If(data & 0x80>>i)
     {
    
    
       数据线输出拉高
     }
     Else
     {
    
    
        数据输出拉低
}
 时钟线拉高;   //接收     
}
}

由于笔者使用的屏幕不需要给主机反馈数据，所以这里少配置了一个MISO的管脚，且这里的GPIO初始化使用了GPIO的库函数来实现。

/*******************************************
*函数名    :Spi_Gpio_Init
*函数功能  :GPIO模拟SPI的初始化配置
*函数参数  :无
*函数返回值:无
*函数描述  :将GPIO配置为通用推挽输出，模拟产生SPI的时序
*********************************************/
void Spi_Gpio_Init(void)
{
    
    
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB,ENABLE);
	
	//IO控制器
	GPIO_InitTypeDef gpio_InitTypeDef; //定义了一个结构体变量
	
	gpio_InitTypeDef.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;           //通用输出模式
	gpio_InitTypeDef.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;          //推挽输出
	gpio_InitTypeDef.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_15;  //一起使用的前提条件 必须是同一个端口
	gpio_InitTypeDef.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;        //无上下拉
	gpio_InitTypeDef.GPIO_Speed = GPIO_Medium_Speed;      //中速
	
	GPIO_Init(GPIOB,&gpio_InitTypeDef);
	

}

/*******************************************
*函数名    :LCD_GSend_Byte
*函数功能  :使用模拟SPI发送一个八位的数据到LCD
*函数参数  :无
*函数返回值:无
*函数描述  :模式0或者模式3
*********************************************/
void LCD_GSend_Byte(u8 data)
{
    
    
	u8 i;
	
	//空闲状态
	LCD_SCL_L;
	LCD_MOSI_H;

	//具体的发送过程
	for(i=0;i<8;i++)
	{
    
    
		LCD_SCL_L;   //发送数据
		if(data & (0x80>>i))
		{
    
    
			LCD_MOSI_H;  //发送数据1
		}
		else
		{
    
    
			LCD_MOSI_L;
		}
		LCD_SCL_H;   //拉高接收数据
	}
	//开始读取返回数据
}

总结

关于SPI的控制器实现以及GPIO，模拟实现的介绍就记录到这里，具体的实际使用，笔者抽空再单开一片，应该是LCD的显示或者是对W25Q64烧录GB2312的字库。想要那个大家可以私信或者留在评论区。然后文中如有不足欢迎批评指正。