SPI協(xié)議詳解（以ADS1118為例）

最近要寫一個協(xié)議，所以再復習一次SPI。（存草稿太久了，再不發(fā)就忘了）

一開始先分析了SPI的協(xié)議特點，使用ADS1118這個器件作為承載物進行分析，后面用邏輯分析儀從位到字節(jié)進行解碼，最后使用TI給的demo移植到STM32平臺。

SPI是一個環(huán)形總線結構，由ss(cs)、sck、sdi、sdo構成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換。

上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。

上升沿到來的時候，sdo上的電平將被發(fā)送到從設備的寄存器中。

下降沿到來的時候，sdi上的電平將被接收到主設備的寄存器中。 各家的名字可能不一樣，反正你就看傳輸方向就行。

這個是時序圖，因為是雙向的傳輸，在主機發(fā)給從機這段時間，從機也是發(fā)數據的，但是相當于亂發(fā)無意義的：

另外：密封的菱形部分，注意要密封，表示數據有效，Valid Data這個詞也顯示了這點。

關于時間的標注，這也是個十分重要的信息，這些時間的標注表明了某些狀態(tài)所要維持的最短或最長時間。

因為器件的工作速度也是有限的，一般都跟不上主控芯片的速度，所以它們直接之間要有時序配合。

外部12MHz晶振，指令周期就是一個時鐘周期為（1/12MHz）us，所以至少確定了它執(zhí)行一條指令的時間是us級別的。我們看到，以上給的時間參數全部是ns級別的，所以即便我們在程序里不加延時程序

10的-3次方

時序時間

專有的時鐘引腳上面是有施密特輸入的

這個名字好，DIN，然后數據鎖存在下降沿上：

GPIO開啟了引腳的弱上拉電阻：

上升沿移出，下降沿準備：

這個是輸出的一個時鐘周期

這個樣子的意思是，數據有高有低，靠后的線是數據輸出，前面是數據準備?；蛘呤潜绘i定

不確定是不是所有的這樣。和上面的分析差不多

看一個連續(xù)輸出

在時序上面

給MCU的數據中，一個大的時鐘周期由32個小周期組成，兩個字節(jié)來說明轉換的結果，也就是本身的數據，MSB在前。后面兩個是寄存器的回讀，這里我理解是把輸出的控制命令又回流一次。

2^16，兩個16位

DIN是MCU給器件的信息，MSB+LSB發(fā)一次，剩下二分之一如果你不變化，就可以讓這個DIN的引腳在后一個周期里面一直低或者高都可以。

你看嘛，就是這樣

還有16為輸出模式，可以交替的拉低CS來輸出

這個是輸出16位值的寄存器的樣子，0~15，上面每一位都是一個0或者1，一次16位。

這個是配置的寄存器，從0開始寫，一直配好到15，組成一個16位的序列，發(fā)送。

數據手冊里面的寫法是倒著來，先15，說這個寄存器的位置在15，名字叫SS，可以讀可以寫，重啟之后是0h，描述是斷電的時候設置一次，在轉換過程中換不了。

這個是3位，8種情況，對應個個采集方式：

如果對地的話，那就是差分

增益放大器：

速率：

連續(xù)還是單發(fā)：

默認是單發(fā)

找了找就這個圖出現(xiàn)的次數最多。

OK

擴展SPI還增加了SDR（Single Data Rate）和DDR（Double Data Rate）兩種模式。在標準SPI 協(xié)議的SDR 模式下，只在SCK 的單邊沿進行數據傳輸，即一個SCK 時鐘只傳輸一位數據；而在DDR 模式下，會在SCK 的上升沿和下降沿都進行數據傳輸，即一個SCK 時鐘能傳輸兩位數據，傳輸速率提高一倍。

就是這樣

沒問題，可以看到時序圖內在CLK的上下沿，數據線上的電平確實是穩(wěn)定的，可以讀取。

1. 2-bit Dual SPI模式

2-bit Dual SPI模式，也稱為Dual SPI模式，是標準SPI的一個變體，它使用兩條數據線（通常是MOSI和MISO）同時傳輸數據。在此模式下，數據在時鐘信號的上升沿和下降沿同時被發(fā)送和接收，使得數據吞吐量相比單線SPI翻倍。

它只是針對SPI Flash而言，不是針對所有SPI外設。對于SPI Flash，全雙工并不常用，因此擴展了mosi和miso的用法，讓它們工作在半雙工，用以加倍數據傳輸。也 就是對于Dual SPI Flash，可以發(fā)送一個命令字節(jié)進入dual mode，這樣mosi變成SIO0（serial io 0），mosi變成SIO1（serial io 1）,這樣一個時鐘周期內就能傳輸2個bit數據，加倍了數據傳輸。

數據線：使用MOSI和MISO同時傳輸數據。

數據速率：相比于標準SPI，數據傳輸速率翻倍，因為它同時使用兩條線傳輸數據。

使用場景：適用于需要比標準SPI更高數據傳輸率但又不需要四線Quad SPI的場景。

2. DDR SPI模式

DDR SPI（雙數據率SPI）模式在每個時鐘周期的上升沿和下降沿都進行數據傳輸。這意味著在每個時鐘脈沖上，都可以發(fā)送或接收數據，從而有效地加倍了數據傳輸速率。這種模式通常用于高速數據采集系統(tǒng)中。

數據線：通常使用一條或多條數據線，但每個時鐘周期傳輸兩次數據。

數據速率：數據速率是標準SPI的兩倍，因為它在時鐘的上升沿和下降沿都傳輸數據。

使用場景：適合高性能需求的應用，如高速數據采集或高分辨率視頻傳輸。

區(qū)別 數據傳輸方式：Dual SPI利用兩條數據線在時鐘的每個邊沿傳輸數據；而DDR SPI可能只使用一條數據線，但在每個時鐘的上升沿和下降沿都傳輸數據。

復雜性：DDR SPI通常在實現(xiàn)上更復雜，因為它要求在時鐘的每個邊緣精確控制數據的采樣和輸出，這對時鐘同步提出了更高的要求。

效率：盡管兩者都提高了數據傳輸速率，但在具體實現(xiàn)和系統(tǒng)兼容性方面，它們各有優(yōu)勢和局限。

如果你的設計對時鐘同步的要求極高，可能會更傾向于使用Dual SPI而不是DDR SPI，因為后者需要更精確的控制和可能導致的時鐘偏差問題。

相反，如果需要極高的數據傳輸效率，DDR SPI可能是更好的選擇。

HI-Z是什么？

補充：

Hi-Z是數字電路常見術語，指的是電路的一種輸出狀態(tài)，既不是高電平也不是低電平，如果高阻態(tài)再輸入下一級電路的話，對下級電路無任何影響，和沒接一樣，如果用萬用表測的話有可能是高電平也有可能是低電平，隨它后面接的東西定。高阻態(tài): 高阻態(tài)的實質電路分析時高阻態(tài)可做開路理解。

模式1：

上升沿改變，下降沿讀取。

手邊還有一個ESP32-C3的單片機，這個是它的數據手冊，有三個SPI，或者是一個SPI配六個CS線。

外部焊盤，通過MUX，多路轉換到接口上面，可以走DMA或者Cache到CPU，等等，之后再說。

這個就更專業(yè)啦

SPI 主機驅動允許總線上連接多個設備（共享單個 ESP32-C3 SPI 外設）。每個設備僅由一個任務訪問時，驅動程序線程安全。反之，若多個任務嘗試訪問同一 SPI 設備，則驅動程序非線程安全。

所有的SPI協(xié)議都可以分成這樣的步驟。

當傳輸事務數據等于或小于 32 位時，為數據分配一個緩沖區(qū)將是次優(yōu)的選擇。

SPI 主機逐字節(jié)地將數據讀入和寫入內存。默認情況下，數據優(yōu)先以最高有效位 (MSB) 發(fā)送，極少數情況下會優(yōu)先使用最低有效位 (LSB)。如果需要發(fā)送一個小于 8 位的值，這些位應以 MSB 優(yōu)先的方式寫入內存。

例如，如果需要發(fā)送 0b00010，則應將其寫成 uint8_t 變量，讀取長度設置為 5 位。此時，設備仍然會收到 8 位數據，并另有 3 個“隨機”位，所以讀取過程必須準確。

傳輸速度主要有以下三個限制因素：

傳輸事務間隔時間

SPI 時鐘頻率

緩存缺失的 SPI 函數，包括回調

影響大傳輸事務傳輸速度的主要參數是時鐘頻率。而多個小傳輸事務的傳輸速度主要由傳輸事務間隔時長決定。

在捕捉的時候可以對 SPI 進行詳細設置

三個解碼層級的設置

這里的解碼有幾個層級，首先是bit級別，就是0，1，接著是轉換，就是0,1拼成別的進制數據。還有就是轉換成數據。

全是0

16進制的我喜歡使用

可以看到是一個不斷分組，組裝的過程

先看一個時鐘的變化

有八個上升沿，也就是8個0，也就是下面的00.是轉換的層級，8個字節(jié)是一位-00.

下面就是兩個字節(jié)變成了一word-16bit

第二個字節(jié)

大概就是這樣的解碼啦

這就是解碼出來的第一個數據

前面是bit位，下一個是字節(jié)位，下一個是word位

按照16字節(jié)來解碼

因為可以自由的傳輸任意的字節(jié)數據，也可以在這里自己定義這個事情

這里就開始移植，看這個TI的意思是隨便整，推薦自己實現(xiàn)SPI的接口：

下載最后一個

這里先說一下頭文件如何加

我們的工作是要在代碼里面實現(xiàn)STM32的SPI接口移植，然后在線測量所有的參數來更加詳細的學習SPI。

先看懂給的代碼，明白要干啥：

這些是TI的庫

NSS管腳及我們熟知的片選信號，作為主設備NSS管腳為高電平，從設備NSS管腳為低電平。

當NSS管腳為低電平時，該spi設備被選中，可以和主設備進行通信。在stm32中，每個spi控制器的NSS信號引腳都具有兩種功能，即輸入和輸出。所謂的輸入就是NSS管腳的信號給自己。所謂的輸出就是將NSS的信號送出去，給從機。

對于NSS的輸入，又分為軟件輸入和硬件輸入。

軟件輸入： NSS分為內部管腳和外部管腳，通過設置spi_cr1寄存器的ssm位和ssi位都為1可以設置NSS管腳為軟件輸入模式且內部管腳提供的電平為高電平，其中SSM位為使能軟件輸入位。SSI位為設置內部管腳電平位。同理通過設置SSM和SSI位1和0則此時的NSS管腳為軟件輸入模式但內部管腳提供的電平為0。若從設備是一個其他的帶有spi接口的芯片，并不能選擇NSS管腳的方式，則可以有兩種辦法，一種是將NSS管腳直接接低電平。另一種就是通過主設備的任何一個gpio口去輸出低電平選中從設備。

硬件輸入： 主機接高電平，從機接低電平。

這樣

cs 自己換普通gpio，好像是自動的引腳有些問題

外部晶振為8MHz

1選擇外部時鐘HSE 8MHz

2PLL鎖相環(huán)倍頻9倍

3系統(tǒng)時鐘來源選擇為PLL

4設置APB1分頻器為 /2

5使能CSS監(jiān)視時鐘

后來我找到了中文的數據手冊

這個地方 4 種模式選擇

打開窗口

打開中斷

編譯 Ok

這個是TI硬件層的所有東西，一會兒就重寫

ti 的板子我用的少

中斷狀態(tài)

開啟中斷

開啟中斷引腳

下降邊沿觸發(fā)中斷

這個有用

因為STM32的SPI中斷和TI的中斷對不上，下面就看HAL的API：

SPI的中斷有這些

所有的函數

中斷

在main里面的文件

我要做的工作是在HAL文件里面構建STM32 SPI的硬件重構

需要實現(xiàn)的是ms和us的延時，CS的控制和收發(fā)功能

SPI函數

這里是延時和CS的實現(xiàn)

ADS1118的內部就可以不用管了。別看寫的簡單，debug也很耗時。

編譯無錯誤，移植完成

可以看看ADS1118的定位

https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/software/711298

術語表：

Standard SPI: CLK, /CS, DI, DO, /WP, /Hold Dual SPI: CLK, /CS, IO0, IO1, /WP, /Hold Quad SPI: CLK, /CS, IO0, IO1, IO2, IO3 SIO0（serial io 0）

接口說明

CLK(Serial Clock):時鐘線

/CS(Chip Select):片選接口

DI(Serial Data Input):數據輸入端口

DO(Serial Data Output):輸出輸出端口

審核編輯：劉清