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文章目录
- 前言
- 一、SPI协议的特点
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- 1. 优点
- 2. 缺点
- 3. 结构
- 二、SPI协议分析
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- 1. 模式概念理解
- 2. 通信过程分析
- 3. SPI个人协议理解
- 4、使用SPI协议操作SPI外设芯片
- 总结
前言
题目上写的是单片机，其实不管你的板子上不上系统（FreeRtos、Linux），协议都是不变的。题外话：工作过程中，一直在移植别人写好的SPI协议，然后和外设的芯片（例如：Flash芯片、NFC芯片等）进行通信，但是都没有往底层深入的看，下午照着代码看了三个多小时，写这篇博客作为总结。
一、SPI协议的特点
SPI （Serial Peripheral Interface），是串行外围设备接口，通过这几个接口（一般4个接口，有片选、时钟、输入、输出）出来的数据遵循一定的规则，我们把这个规则叫做协议，所以就是SPI协议，可以进行高速、全双工、同步的通信。现在越来越多的外设芯片集成了这种通信协议，常见的有FLASH、AD转换器，NFC芯片等。
1. 优点
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支持全双工，信号完整性好；
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支持高速（100MHz以上）；
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协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长，（高位先行还是低位先行，需要看外设芯片的手册，主要是保证两个 SPI通讯设备之间使用同样的协定）；
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硬件连接简单；
2. 缺点
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相比IIC多两根线，有4根线；
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没有寻址机制，只能靠片选选择不同设备。意思就是发送数据前，要先通过IO拉低设备片选信号，然后在发送数据，操作完成后将片选信号拉高；
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没有从设备接受ACK，主设备对于发送成功与否不得而知；
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典型应用只支持单主控；
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相比RS232 RS485和CAN总线，SPI传输距离短，局限于PCB板子；
3. 结构
- 信号定义如下：
SCK: Serial Clock 串行时钟
MOSI : Master Output, Slave Input 主发从收信号
MISO: Master Input, Slave Output 主收从发信号
SS/CS : Slave Select 片选信号
二、SPI协议分析
1. 模式概念理解
首先要知道时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA的概念，概念自行百度，根据CPOL 及 CPHA 的不同状态，SPI 分成了四种模式，若你写软SPI协议的话，一定要知道这四种模式，使用硬SPI协议的话，根据外设芯片，在初始化时，配置MCU的寄存器即可。四种模式如下：
例如：W25Q64这款FLSH芯片，既支持模式0，也支持模式3，所以在MCU初始化SPI时，就可以选择这两种模式中的一种。
2. 通信过程分析
这是一张野火STM32F103手册上的图片，我们参考这种图片来分析通信过程
- (1) 拉低NSS信号线，产生起始信号(图中没有画出)；（需要软件操作)
- (2) 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；（需要软件操作)
- (3) 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；（我们不用管，单片机会自动帮我们完成！)
*(4) 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；（需要软件操作，因为我们要做状态查询，通常是while死循环来保证数据被发送或接收) - (5) 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;
- (6) 拉高 NSS信号线，产生结束信号（需要软件操作)
3. SPI个人协议理解
其实，对于任何一种MCU支持的协议来说，我们要做的就3步：
- 1、初始化
- 2、发送数据
- 3、接收数据
不过，spi协议在发送和接收数据前要拉低片选信号而已。对MCU操作来说，每款MCU的厂家给出的寄存器是不一样，在编写发送或接收函数时，每个MCU的编写函数是不一样的。这里，分析两家的,拿到一款芯片后，可以参考厂家demo编写，这才是最正确的，千万不要傻乎乎的字节从头到尾写。
第一家，意法半导体的STM32F103芯片。因为之前说过，SPI协议没有从设备发送ACK，所以主设备对于发送成功与否不得而知，但是可以知道数据buff是否发送完成，简单来说，数据发送成不成功我不知道，但是我知道数据发没发完。每个厂家设计的不一样，STM32检测buff是否发送完成依据接收缓冲区（没有写出错，是接收缓冲区）不为空（这样设计感觉挺奇怪的，没办法厂家就是这样设计的）
- 1）发送之前，先检测TXE，若发送缓冲区位空，则将数据写入发送数据寄存器；
- 2）等待数据发送完成（若RXNE为非空，则表示发送完成）；
// 发送函数
u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)
{
SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
{
if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);
}
SPI_I2S_SendData(FLASH_SPIx, byte); // 将一个字节的数据写入spi数据寄存器
SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
{
if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);
}
return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPIx );
}
// 接收函数
u8 SPI_FLASH_ReadByte(void)
{
// 通过写的方式，来读数据，感觉挺奇怪的
return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte)); //Dummy_Byte为任意字节，无意义，但是必须要写，一般我们写0xFF
}
- 第二家，国内HUA芯片， 这款芯片就有专门的发送完成和是否接受到数据的状态寄存器，发送和接收逻辑符合我们通常的认知。写这两个函数的时候需要参考厂家demo。
// 发送函数
void Spim0SendData(UINT8 *data_buf, UINT16 len)
{
UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;
UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;
Spim0ClrFifo(); //清空发送缓冲区
Spim0RecAutorcvDis(); // 禁用自动接收
Spim0TransStart(); // 开始发送
Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND); // 清空发送完成寄存器
while(len)
{
if(len >= 8)
{
for (UINT8 i = 0; i < 8; i++)
{
SPIM0->DR = *data_buf;
data_buf++;
}
len -= 8;
wrcnt += 8;
}
else if(len >= 4)
{
for (UINT8 i = 0; i < 4; i++)
{
SPIM0->DR = *data_buf;
data_buf++;
}
len -= 4;
wrcnt += 4;
}
else
{
for (UINT8 i = 0; i < len; i++)
{
SPIM0->DR = *data_buf;
data_buf++;
len--;
}
}
while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_TXEND));
Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND);
}
Spim0TransStop();
}
// 接收函数
void Spim0RecvData( UINT8 *data_buf, UINT16 rev_len)
{
UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;
UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;
Spim0SetClk(rev_len & 0x3ff);
Spim0ClrFifo();
Spim0RecAutorcvEn();
Spim0TransStart();
while(rev_len != 0)
{
if(rev_len >= 4)
{
while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXHF));
*data_buf++ = SPIM0->DR;
*data_buf++ = SPIM0->DR;
*data_buf++ = SPIM0->DR;
*data_buf++ = SPIM0->DR;
rev_len -= 4;
}
else
{
while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXNE));
for(; rev_len>0; rev_len--)
{
*data_buf++ = SPIM0->DR;
}
}
}
Spim0TransStop();
}
4、使用SPI协议操作SPI外设芯片
需要先看外设芯片的数据手册，例如W25Q64 flash芯片的操作指令为，（下图中括号的数据为接收的数据）：
举个简单的例子，使用stm32读flash的设备ID:
u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
{
u32 Temp = 0;
SPI_FLASH_CS_LOW();
SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID); // 0xAB
SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
Temp = SPI_FLASH_ReadByte(); // 等价于 Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
SPI_FLASH_CS_HIGH();
return Temp;
}
总结
- 1、SPI协议主要写的就是发送和接收函数，发送和接收的数据需要看外设芯片的数据手册；
- 2、若MCU支持硬SPI协议，那我们一般用硬spi协议，若用软的，移植的时候不好移植，因为你不知道你的外设芯片支持哪种spi模式。如果MCU不支持SPI，现在你又需要SPI，这时就可以写个软的SPI协议。不过现在芯片一般都支持硬SPI了，除非为了节省成本，你的芯片很Low很Low。
- 软spi协议很简单，关于波特率，你不需要太过关系，只要不超过外设芯片的波特率就可以，至于具体是多少Hz，如果不追求速度的话，没有太大的关系，可以先调通spi，然后在调速。
- 软SPI协议如下（模式0）： 可以看到，先操作的是数据IO，然后在操作SCK的IO。
请务必参考上面的时序图，来看下面软spi模式0对应的代码，不然不知道原由：
// spi发送函数
void SpiByteWrite(unsigned char dat)
{
unsigned char mask;
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在前，逐位移出
{
if ((mask&dat) != 0) //首先输出该位数据
Set_MOSI_IO(1); // IO拉高
else
Set_MOSI_IO(0); // IO拉低
Set_SPI_CK(1); //然后拉高时钟，数据采样，IO拉高
Set_SPI_CK(0); //再拉低时钟，完成一个位的操作 ，IO拉低
}
Set_MOSI_IO(1); //最后确保释放 IO 引脚，IO拉高
}
// spi总线上读取一个字节
unsigned char DS1302ByteRead()
{
unsigned char mask;
unsigned char dat = 0;
for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在前，逐位读取
{
if (Get_MISO_IO!= 0) //首先读取此时的 IO 引脚，并设置 dat 中的对应位
{
dat |= mask;
}
Set_SPI_CK(1); //然后拉高时钟，数据采样，IO拉高
Set_SPI_CK(0); //再拉低时钟，完成一个位的操作 ，IO拉低
}
return dat; //最后返回读到的字节数据
}
- 若其他模式，参考下面的图片，相信你也能自己写出对应的软SPI协议。
在时序上，SPI 比 I2C 简单多，没有了起始、停止和应答，和UART一样， SPI 在通信的时候，只负责通信，不管是否通信成功，而 I2C 却要通过应答信息来获取通信成功失败的信息，所以相对来说，UART 和 SPI 的时序都要比 I2C 简单一些。
