超詳細(xì)的SPI原理和通信模式

什么是SPI

SPI 是英語(yǔ)Serial Peripheral interface的縮寫(xiě)，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。是Motorola(摩托羅拉)首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。

SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，主要應(yīng)用在 EEPROM，F(xiàn)LASH，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。

SPI主從模式

SPI分為主、從兩種模式，一個(gè)SPI通訊系統(tǒng)需要包含一個(gè)（且只能是一個(gè)）主設(shè)備，一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備。提供時(shí)鐘的為主設(shè)備（Master），接收時(shí)鐘的設(shè)備為從設(shè)備（Slave），SPI接口的讀寫(xiě)操作，都是由主設(shè)備發(fā)起。當(dāng)存在多個(gè)從設(shè)備時(shí)，通過(guò)各自的片選信號(hào)進(jìn)行管理。

SPI是全雙工且SPI沒(méi)有定義速度限制，一般的實(shí)現(xiàn)通常能達(dá)到甚至超過(guò)10 Mbps

SPI信號(hào)線

SPI接口一般使用四條信號(hào)線通信：

SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）

MISO：主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳。該引腳在從模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在主模式下接收數(shù)據(jù)。

MOSI：主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳。該引腳在主模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在從模式下接收數(shù)據(jù)。

SCLK：串行時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生。

CS/SS：從設(shè)備片選信號(hào)，由主設(shè)備控制。它的功能是用來(lái)作為“片選引腳”，也就是選擇指定的從設(shè)備，讓主設(shè)備可以單獨(dú)地與特定從設(shè)備通訊，避免數(shù)據(jù)線上的沖突。

硬件上為4根線。

SPI一對(duì)一

SPI一對(duì)多

SPI設(shè)備選擇

SPI是［單主設(shè)備（ single-master ）］通信協(xié)議，這意味著總線中的只有一支中心設(shè)備能發(fā)起通信。當(dāng)SPI主設(shè)備想讀/寫(xiě)［從設(shè)備］時(shí)，它首先拉低［從設(shè)備］對(duì)應(yīng)的SS線（SS是低電平有效），接著開(kāi)始發(fā)送工作脈沖到時(shí)鐘線上，在相應(yīng)的脈沖時(shí)間上，［主設(shè)備］把信號(hào)發(fā)到MOSI實(shí)現(xiàn)“寫(xiě)”，同時(shí)可對(duì)MISO采樣而實(shí)現(xiàn)“讀”，如下圖：

SPI數(shù)據(jù)發(fā)送接收

SPI主機(jī)和從機(jī)都有一個(gè)串行移位寄存器，主機(jī)通過(guò)向它的SPI串行寄存器寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)來(lái)發(fā)起一次傳輸。

首先拉低對(duì)應(yīng)SS信號(hào)線，表示與該設(shè)備進(jìn)行通信

主機(jī)通過(guò)發(fā)送SCLK時(shí)鐘信號(hào)，來(lái)告訴從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)或者讀數(shù)據(jù)

這里要注意，SCLK時(shí)鐘信號(hào)可能是低電平有效，也可能是高電平有效，因?yàn)镾PI有四種模式，這個(gè)我們?cè)谙旅鏁?huì)介紹

主機(jī)(Master)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)到發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)(Menory)，緩存區(qū)經(jīng)過(guò)移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通過(guò)MOSI信號(hào)線將字節(jié)一位一位的移出去傳送給從機(jī)，，同時(shí)MISO接口接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)移位寄存器一位一位的移到接收緩存區(qū)。

從機(jī)(Slave)也將自己的串行移位寄存器(0~7)中的內(nèi)容通過(guò)MISO信號(hào)線返回給主機(jī)。同時(shí)通過(guò)MOSI信號(hào)線接收主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就被交換。

SPI只有主模式和從模式之分，沒(méi)有讀和寫(xiě)的說(shuō)法，外設(shè)的寫(xiě)操作和讀操作是同步完成的。如果只進(jìn)行寫(xiě)操作，主機(jī)只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機(jī)要讀取從機(jī)的一個(gè)字節(jié)，就必須發(fā)送一個(gè)空字節(jié)來(lái)引發(fā)從機(jī)的傳輸。也就是說(shuō)，你發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)必然會(huì)收到一個(gè)數(shù)據(jù)；你要收一個(gè)數(shù)據(jù)必須也要先發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)。

SPI通信的四種模式

SPI的四種模式，簡(jiǎn)單地講就是設(shè)置SCLK時(shí)鐘信號(hào)線的那種信號(hào)為有效信號(hào)

SPI通信有4種不同的操作模式，不同的從設(shè)備可能在出廠是就是配置為某種模式，這是不能改變的；但我們的通信雙方必須是工作在同一模式下，所以我們可以對(duì)我們的主設(shè)備的SPI模式進(jìn)行配置，通過(guò)CPOL（時(shí)鐘極性）和CPHA（時(shí)鐘相位）來(lái)

控制我們主設(shè)備的通信模式，具體如下：

時(shí)鐘極性(CPOL)定義了時(shí)鐘空閑狀態(tài)電平：

CPOL=0，表示當(dāng)SCLK=0時(shí)處于空閑態(tài)，所以有效狀態(tài)就是SCLK處于高電平時(shí)

CPOL=1，表示當(dāng)SCLK=1時(shí)處于空閑態(tài)，所以有效狀態(tài)就是SCLK處于低電平時(shí)

時(shí)鐘相位(CPHA)定義數(shù)據(jù)的采集時(shí)間。

CPHA=0，在時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升沿或下降沿）進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。，在第2個(gè)邊沿發(fā)送數(shù)據(jù)

CPHA=1，在時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升沿或下降沿）進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。，在第1個(gè)邊沿發(fā)送數(shù)據(jù)

例如：

Mode0：CPOL=0，CPHA=0：此時(shí)空閑態(tài)時(shí)，SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)采樣是在第1個(gè)邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在上升沿(準(zhǔn)備數(shù)據(jù)），（發(fā)送數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

Mode1：CPOL=0，CPHA=1：此時(shí)空閑態(tài)時(shí)，SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第1個(gè)邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

Mode2：CPOL=1，CPHA=0：此時(shí)空閑態(tài)時(shí)，SCLK處于高電平，數(shù)據(jù)采集是在第1個(gè)邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

Mode3：CPOL=1，CPHA=1：此時(shí)空閑態(tài)時(shí)，SCLK處于高電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第1個(gè)邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在上升沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

它們的區(qū)別是定義了在時(shí)鐘脈沖的哪條邊沿轉(zhuǎn)換（toggles）輸出信號(hào)，哪條邊沿采樣輸入信號(hào)，還有時(shí)鐘脈沖的穩(wěn)定電平值（就是時(shí)鐘信號(hào)無(wú)效時(shí)是高還是低）。每種模式由一對(duì)參數(shù)刻畫(huà)，它們稱(chēng)為時(shí)鐘極（clock polarity）CPOL與時(shí)鐘期（clock phase）CPHA。

SPI的通信協(xié)議

主從設(shè)備必須使用相同的工作模式——SCLK、CPOL 和 CPHA，才能正常工作。如果有多個(gè)從設(shè)備，并且它們使用了不同的工作模式，那么主設(shè)備必須在讀寫(xiě)不同從設(shè)備時(shí)需要重新修改對(duì)應(yīng)從設(shè)備的模式。以上SPI總線協(xié)議的主要內(nèi)容。

是不是感覺(jué)，這就完了？SPI就是如此，他沒(méi)有規(guī)定最大傳輸速率，沒(méi)有地址方案，也沒(méi)規(guī)定通信應(yīng)答機(jī)制，沒(méi)有規(guī)定流控制規(guī)則。

只要四根信號(hào)線連接正確，SPI模式相同，將CS/SS信號(hào)線拉低，即可以直接通信，一次一個(gè)字節(jié)的傳輸，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)同時(shí)操作，這就是SPI

些通信控制都得通過(guò)SPI設(shè)備自行實(shí)現(xiàn)，SPI并不關(guān)心物理接口的電氣特性，例如信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。

PS:這也是SPI接口的一個(gè)缺點(diǎn)：沒(méi)有指定的流控制，沒(méi)有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。

SPI的三種模式

SPI工作在3中模式下，分別是運(yùn)行、等待和停止。

運(yùn)行模式（Run Mode）

這是基本的操作模式

等待模式（Wait Mode）

SPI工作在等待模式是一種可配置的低功耗模式，可以通過(guò)SPICR2寄存器的SPISWAI位進(jìn)行控制。在等待模式下，如果SPISWAI位清0，SPI操作類(lèi)似于運(yùn)行模式。如果SPISWAI位置1，SPI進(jìn)入低功耗狀態(tài)，并且SPI時(shí)鐘將關(guān)閉。如果SPI配置為主機(jī)，所有的傳輸將停止，但是會(huì)在CPU進(jìn)入運(yùn)行模式后重新開(kāi)始。如果SPI配置為從機(jī)，會(huì)繼續(xù)接收和傳輸一個(gè)字節(jié)，這樣就保證從機(jī)與主機(jī)同步。

停止模式（Stop Mode）

為了降低功耗，SPI在停止模式是不活躍的。如果SPI配置為主機(jī)，正在進(jìn)行的傳輸會(huì)停止，但是在CPU進(jìn)入運(yùn)行模式后會(huì)重新開(kāi)始。如果SPI配置為從機(jī)，會(huì)繼續(xù)接受和發(fā)送一個(gè)字節(jié)，這樣就保證了從機(jī)與主機(jī)同步。

SPI原理圖連接

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STM32中SPI初始化配置

1.初始化GPIO口，配置相關(guān)引腳的復(fù)用功能，使能SPIx時(shí)鐘。調(diào)用函數(shù)：void GPIO_Init()；

2.使能SPI時(shí)鐘總線:RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE)

3.配置SPI初始化的參數(shù)，設(shè)置SPI工作模式:SPI_Init(SPI1,&SPI_Initstructure)

4.使能SPI外設(shè)：SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);

SPI配置設(shè)置

}

SPI發(fā)送函數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)/HAL庫(kù))

HLA庫(kù)：
uint8_t?SPI_SendByte(uint8_t byte)
{
uint8_t d_read,d_send=byte;
if(HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1,&d_send,&d_read,1,0xFFFFFF)!=HAL_OK)
d_read=0XFF;
return?d_read;

審核編輯：黃飛

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