STM32进阶学习（5）-通信协议之SPI协议

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前言

回顾IIC，我们知道，IIC是一种半双工的通信，即通信双方的读和写不能同时进行，所以每次通信时，还要先确定是读还是写，比较麻烦，那么现在的SPI则很好的解决了这个问题。

一、SPI的基本概念

1. SPI协议简介

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，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，越来越多的芯片集成了这种通信协议，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。

2、SPI模式

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。

提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），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。

SPI是全双工且SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10 Mbps

3、SPI信号线

SPI接口一般使用四条信号线通信：

SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）

MISO： 主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
MOSI： 主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
SCLK：串行时钟信号，由主设备产生。
CS/SS：从设备片选信号，由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”，也就是选择指定的从设备，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。

4、SPI设备选择

SPI是单主设备（ single-master ）通信协议，这意味着总线中的只有一支中心设备能发起通信。

当SPI主设备想读/写［从设备］时：
①它首先拉低［从设备］对应的SS线（SS是低电平有效）
②接着开始发送工作脉冲到时钟线上
③在相应的脉冲时间上，［主设备］把信号发到MOSI实现“写”，同时可对MISO采样而实现“读”

5、SPI数据发送接收

SPI主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。

①首先拉低对应SS信号线，表示与该设备进行通信
②主机通过发送SCLK时钟信号，来告诉从机写数据或者读数据。(这里要注意，SCLK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，因为SPI有四种模式)
③主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区
④从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据

这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

注意：

SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。
如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
也就是说，发一个数据必然会收到一个数据；要收一个数据必须也要先发一个数据。

6、SPI通信的四种模式

SPI的四种模式，简单地讲就是设置SCLK时钟信号线的那种信号为有效信号

它们的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（就是时钟信号无效时是高还是低）。每种模式由一对参数刻画，它们称为时钟极（clock polarity）CPOL与时钟期（clock phase）CPHA。

SPI通信有4种不同的操作模式，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：

1. 时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平：

CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时**（高有效）**
CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时**（低有效）**

2. 时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间。

CPHA=0，在时钟的第1个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。在第2个边沿发送数据**（1采2发）**
CPHA=1，在时钟的第2个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。在第1个边沿发送数据**（1发2采）**

例如：

Mode0：CPOL=0，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于低电平；数据采样是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变；所以数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿。

Mode1：CPOL=0，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于低电平；数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变；所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

Mode2：CPOL=1，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于高电平；数据采样是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变；所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

Mode3：CPOL=1，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于高电平；数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变；所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

注：数据采样=准备数据

CPOL=0：高有效，0到1，即上升沿是第一个边沿

CPOL=1：低有效，1到0，即下降沿是第一个边沿

7、SPI的通信协议

主从设备必须使用相同的工作模式——SCLK、CPOL 和 CPHA，才能正常工作。

如果有多个从设备，并且它们使用了不同的工作模式，那么主设备必须在读写不同从设备时需要重新修改对应从设备的模式。

SPI就是如此，他没有规定最大传输速率，没有地址方案，也没规定通信应答机制，没有规定流控制规则。

只要四根信号线连接正确，SPI模式相同，将CS/SS信号线拉低，即可以直接通信，一次一个字节的传输，读写数据同时操作，这就是SPI

SPI并不关心物理接口的电气特性，例如信号的标准电压。

这也是SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

8、SPI的三种模式

SPI工作在三种模式下，分别是：运行、等待和停止。

1.运行模式（Run Mode）
这是基本的操作模式

2.等待模式（Wait Mode）
SPI工作在等待模式是一种可配置的低功耗模式，可以通过SPICR2寄存器的SPISWAI位进行控制。在等待模式下，如果SPISWAI位清0，SPI操作类似于运行模式。如果SPISWAI位置1，SPI进入低功耗状态，并且SPI时钟将关闭。如果SPI配置为主机，所有的传输将停止，但是会在CPU进入运行模式后重新开始。如果SPI配置为从机，会继续接收和传输一个字节，这样就保证从机与主机同步。

3.停止模式（Stop Mode）
为了降低功耗，SPI在停止模式是不活跃的。如果SPI配置为主机，正在进行的传输会停止，但是在CPU进入运行模式后会重新开始。如果SPI配置为从机，会继续接受和发送一个字节，这样就保证了从机与主机同步。

二、借助正点原子SPI例程理解SPI通信过程

1.W25Q128介绍

W25Q128 是华邦公司推出的大容量 SPI FLASH 产品，W25Q128 的容量为 128Mb，该系列还有 W25Q80/16/32/64 等。ALIENTEK
所选择的 W25Q128 容量为 128Mb，也就是 16M 字节。
W25Q128 将 16M 的容量分为 256 个块（Block），每个块大小为 64K 字节，每个块又分为16 个扇区（Sector），每个扇区 4K 个字节。W25Q128 的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除 4K 个字节。这样我们需要给 W25Q128 开辟一个至少 4K 的缓存区，这样对 SRAM 要求比较高，要求芯片必须有 4K 以上 SRAM 才能很好的操作。
W25Q128 的擦写周期多达 10W 次，具有 20 年的数据保存期限，支持电压为 2.7~3.6V，W25Q128 支持标准的 SPI，还支持双输出/四输出的 SPI，最大 SPI 时钟可以到 80Mhz（双输出时相当于 160Mhz，四输出时相当于 320M），更多的 W25Q128 的介绍，请参考 W25Q128 的DATASHEET。

2.SPI初始化程序

①SPI.h

#ifndef __SPI_H
#define __SPI_H
#include "sys.h"
	  	    													  
void SPI2_Init(void);			 //初始化SPI口
void SPI2_SetSpeed(u8 SpeedSet); //设置SPI速度   
u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData);//SPI总线读写一个字节 
#endif

跟IIC相比还是非常简洁的，只有三个函数。

②SPI2_Init(void)函数

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，这句话最大的作用就是维持 MOSI
//为高电平，而且这句话也不是必须的，可以去掉。		 
}   

首先，要配置IO口，查手册：

PB13、14、15 对应（SCK.、MISO、MOSI），而CS片选则使用软件管理方式。

重点来了：SPI的这些参数都代表了什么意思？

typedef struct
{
    
    
  uint16_t SPI_Direction;          
  uint16_t SPI_Mode;               
  uint16_t SPI_DataSize;         
  uint16_t SPI_CPOL;              
  uint16_t SPI_CPHA;              
  uint16_t SPI_NSS;                
  uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;  
  uint16_t SPI_FirstBit;            
  uint16_t SPI_CRCPolynomial;     
}SPI_InitTypeDef;

借用这位大佬的图片解释：

第一个参数 SPI_Direction 是用来设置 SPI 的通信方式，可以选择为半双工，全双工，以及串行发和串行收方式，这里我们选择全双工SPI_Direction_2Lines_FullDuplex。
第二个参数 SPI_Mode 用来设置 SPI 的主从模式，这里我们设置为主机模式 SPI_Mode_Master，有需要也可选择为从机SPI_Mode_Slave。
第三个参数 SPI_DataSiz 为 8 位还是 16 位帧格式选择项，这里我们是 8 位传输，选择SPI_DataSize_8b。
第四个参数 SPI_CPOL 用来设置时钟极性，我们设置串行同步时钟的空闲状态为高电平所以我们选择 SPI_CPOL_High。
第五个参数 SPI_CPHA 用来设置时钟相位，也就是选择在串行同步时钟的第几个跳变沿（上升或下降）数据被采样，可以为第一个或者第二个条边沿采集，这里我们选择第二个跳变沿，所以选择 SPI_CPHA_2Edge
第六个参数 SPI_NSS 设置 NSS 信号由硬件（NSS 管脚）还是软件控制，这里我们通过软件控制 NSS 关键，而不是硬件自动控制，所以选择 SPI_NSS_Soft。
第七个参数 SPI_BaudRatePrescaler 很关键，就是设置 SPI 波特率预分频值也就是决定 SPI 的时钟的参数，从不分频道 256 分频 8 个可选值，初始化的时候我们选择 256 分频值SPI_BaudRatePrescaler_256, 传输速度为 36M/256=140.625KHz。
第八个参数 SPI_FirstBit 设置数据传输顺序是 MSB 位在前还是 LSB 位在前，，这里我们选择SPI_FirstBit_MSB 高位在前。
第九个参数 SPI_CRCPolynomial 是用来设置 CRC 校验多项式，提高通信可靠性，大于 1 即可。设置好上面 9 个参数，我们就可以初始化 SPI 外设了。

③SPI读写字节函数

//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					    
}

（1）要知道，主机和从机一旦进行SP通信，对于主机而言，它向从机发送一个字节时，也一定会同时接收到从机发来的一个字节数据，对于从机也同理。
（2）循环等待发送缓存空标志位被置位，最多重试200次；通过SPI_I2S_SendData函数向SPI2发送一个字节的数据；循环等待接收缓存非空标志位被置位，最多重试200次；返回通过SPI2最近接收的数据。

3.W25Q128的相关主要程序

这里首先引入一个问题：SPI有四条线，SCK、MISO、MOSI已经初始化好了，那片选CS怎么办呢？
在软件中，可以通过控制NSS信号的GPIO口输出电平来选择对应的从机。当要与某个从机通信时，将该从机的NSS口拉低，其他从机的NSS口保持高电平。当通信完成后，将该从机的NSS口拉高，释放该从机的总线控制权，以便与其他从机进行通信。
所以我们有必要对从机设备的端口设置为片选端口。

①初始化片选端口

void W25QXX_Init(void)
{
    
    	
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB时钟使能 

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;  // PB12 推挽 
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  //推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
 
        W25QXX_CS=1;				//SPI FLASH不选中
	SPI2_Init();		   	//初始化SPI
	SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_2);//设置为18M时钟,高速模式
	W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID();//读取FLASH ID.  

}  

②W25QXX_Read 函数：用于从 W25Q128 的指定地址读出指定长度的数据

//读取SPI FLASH  
//在指定地址开始读取指定长度的数据
//pBuffer:数据存储区
//ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
//NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   
{
    
     
 	u16 i;   										    
	W25QXX_CS=0;                            	//使能器件   
    SPI2_ReadWriteByte(W25X_ReadData);         	//发送读取命令   
    SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16));  	//发送24bit地址    
    SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));   
    SPI2_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);   
    for(i=0;i<NumByteToRead;i++)
	{
    
     
        pBuffer[i]=SPI2_ReadWriteByte(0XFF);   	//循环读数  
    }
	W25QXX_CS=1;  				    	      
}  

由于 W25Q128 支持以任意地址（但是不能超过 W25Q128 的地址范围）开始读取数据，所以，这个代码相对来说就比较简单了，在发送 24 位地址之后，程序就可以开始循环读数据了，其地址会自动增加的，不过要注意，不能读的数据超过了 W25Q128 的地址范围哦！否则读出来的数据，就不是你想要的数据了。

③W25QXX_Write

u8 W25QXX_BUFFER[4096];		 
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{
    
     
	u32 secpos;
	u16 secoff;
	u16 secremain;	   
 	u16 i;    
	u8 * W25QXX_BUF;	  
   	W25QXX_BUF=W25QXX_BUFFER;	     
 	secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址  
	secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移
	secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小   
 	//printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用
 	if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节
	while(1) 
	{
    
    	
		W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容
		for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据
		{
    
    
			if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除  	  
		}
		if(i<secremain)//需要擦除
		{
    
    
			W25QXX_Erase_Sector(secpos);		//擦除这个扇区
			for(i=0;i<secremain;i++)	   		//复制
			{
    
    
				W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];	  
			}
			W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区  

		}else W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间. 				   
		if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了
		else//写入未结束
		{
    
    
			secpos++;//扇区地址增1
			secoff=0;//偏移位置为0 	 

		   	pBuffer+=secremain;  				//指针偏移
			WriteAddr+=secremain;				//写地址偏移	   
		   	NumByteToWrite-=secremain;			//字节数递减
			if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;//下一个扇区还是写不完
			else secremain=NumByteToWrite;		//下一个扇区可以写完了
		}	 
	};	 
}

这段代码片段用于向W25QXX闪存芯片写入数据。

函数W25QXX_Write接受三个参数：pBuffer，WriteAddr和NumByteToWrite。

pBuffer是一个指向包含要写入的数据的缓冲区的指针。
WriteAddr是要写入数据的闪存内的起始地址。
NumByteToWrite是要写入的字节数。
该函数首先根据WriteAddr计算扇区地址（secpos）和扇区内的偏移（secoff），然后根据WriteAddr计算扇区中剩余的空间（secremain）。

然后，该函数进入一个循环，其中它将整个扇区读入W25QXX_BUF缓冲区，并检查是否需要擦除任何数据。如果需要擦除数据，则函数调用W25QXX_Erase_Sector函数擦除该扇区，将数据从pBuffer复制到W25QXX_BUF，并使用W25QXX_Write_NoCheck函数将整个扇区写回闪存。

如果不需要擦除数据，则函数直接使用W25QXX_Write_NoCheck函数将数据从pBuffer直接写入扇区中剩余的空间。

然后，函数更新扇区地址、偏移、pBuffer、WriteAddr和NumByteToWrite，以便继续在后续扇区中写入剩余数据。循环继续直到所有数据都被写入。

总结

要利用SPI让STM32作为主机与从机进行数据交互，需要进行以下步骤：
配置SPI总线：
首先，配置STM32的SPI外设，包括设置通信模式（全双工、半双工等）、数据位宽、时钟极性和相位等参数。
然后，配置SPI的引脚，将SPI的SCLK、MISO、MOSI和片选信号（CS）引脚连接到从机上。

初始化从机：
根据从机的要求，选择合适的SPI模式（主机模式或从机模式）并进行初始化。
如果从机有特定的初始化序列或配置寄存器，需要按照从机的规格手册进行设置。
数据交互：

在主机上，使用SPI发送数据的函数将数据发送给从机。
在从机上，使用SPI接收数据的函数接收主机发送的数据。
通过SPI的片选信号（CS）来选择与主机通信的从机。

处理数据：
在主机上，根据需要处理从机返回的数据。可以将数据保存到缓冲区中，进行计算、显示或其他操作。
在从机上，根据主机发送的数据进行相应的操作，并将结果返回给主机。
结束通信：
当完成所需的数据交换后，可以关闭SPI通信或禁用SPI外设。