SPI總線概述

1 基本概念

串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的簡稱也叫做SPI，是一種高速、全雙工同步通信的一種接口，串行外設接口一般是需要4根線來進行通信（NSS、MISO、MOSI、SCK），但是如果打算實現單向通信也可以只使用3根線（NSS、MISO/MOSI、SCK），就可以利用這種機制實現一對多或者一對一的通信。

2 引腳定義

通常SPI通過4個引腳與外部器件相連：

• MISO (Master Input Slave Output)：主設備輸入/從設備輸出引腳 。該引腳在從模式下發送數據，在主模式下接收數據。
• MOSI (Master Output Slave Input)：主設備輸出/從設備輸入引腳。 該引腳在主模式下發送數據，在從模式下接收數據。
• SCK (Serial Clock)：串行時鐘 ，作為主設備的輸出，從設備的輸入.
• NSS (Negative Slave Select)：低電平有效的從器件選擇。 這是一個可選的引腳，用來選擇主/從設備。它的功能是用來作為“片選引腳”，讓主設備可以單獨地與特定從設備通訊，避免數據線上的沖突。

SPI總線：單一主機對單一從機

SPI總線：單一主機對復合從機

SPI總線采用的 環形結構 ，利用的是主從模式（主機→從機）進行數據的傳輸，由于是同步通信，所以在主機發送數據的同時也會收到從機發送的數據。

MOSI腳相互連接，MISO腳相互連接。這樣，數據在主和從之間串行地傳輸（MSB位在）。通信總是由主設備發起。主設備通過MOSI腳把數據發送給從設備，從設備通過MISO引腳回傳數據。這意味全雙工通信的數據輸出和數據輸入是用同一個時鐘信號同步的；時鐘信號由主設備通過SCK腳提供。

NSS的說明：主機的NSS引腳在空閑狀態下應處于高電平（VDD），主機發送數據時，主機的NSS應為輸出模式，從機的NSS為輸入模式，當主機的NSS引腳拉低，從設備的NSS引腳可以檢測到低電平，該設備被選中。

從SPI的結構框圖中可以看到NSS也是外部引腳的名稱，其實控制SPI收發數據是通過內部的NSS信號實現的，而這個內部的NSS信號源可以由SPI_CR1寄存器的SSM（Software slave management）位來配置。

• 軟件NSS模式，SSM=1 ：可以通過設置SPI_CR1寄存器的SSM位來使能這種模式。在這種模式下NSS引腳可以用作它用，而內部NSS信號電平可以通過寫SPI_CR1的SSI位來驅動。
  
  
  SSM ：軟件從設備管理。當SSM被置位時，NSS引腳上的電平由SSI位的值決定。
  0：禁止軟件從設備管理；
  1：啟用軟件從設備管理。
• 硬件NSS模式，SSM=0：內部NSS信號電平由NSS引腳電平決定。在這種“硬件模式”下要用SPI_CR2的SSOE（Software Save Output Enable）位來控制NSS作為輸入還是輸出，當SSOE=0時，NSS引腳被配置為輸入；當SSOE=0時，NSS引腳被配置為輸出。

3 工作模式

注意：由于SPI外設是 全雙工同步通信 ，所以時鐘信號就由SCK引腳來生成， SCK引腳只能由主設備控制，從設備是無法控制的 ，所以SCK引腳輸出的脈沖信號的極性和相位就需要進行配置。

3.1 時鐘信號的相位和極性

SPI_CR寄存器的CPOL(時鐘極性位)和CPHA(時鐘相位位)，能夠組合成四種可能的時序關系。

• 時鐘極性CPOL ：指的是在SPI總線空閑狀態下（不傳輸任何數據）SCK引腳的默認的電平狀態。SCK空閑狀態下的電平可以由SPI_CR1寄存器的CPOL位來進行設置。主設備的時鐘極性要根據從設備來設置。
  • 如果CPOL被清‘0’，SCK引腳在空閑狀態保持低電平；
  • 如果CPOL被置’1’，SCK引腳在空閑狀態保持高電平。
• 時鐘相位CPHA ：指的是在傳輸數據時選擇脈沖信號的邊沿（上升沿或者下降沿）來進行數據的采集或者修改。該位可以由SPI_CR1寄存器的CPHA位來進行設置。主設備的時鐘相位要根據從設備來設置。
  • 如果CPHA位被置’1’，SCK時鐘的第二個邊沿(CPOL位為0時就是下降沿，CPOL位為’1’時就是上升沿)進行數據位的采樣，數據在第二個時鐘邊沿被鎖存。
  • 如果CPHA位被清’0’，SCK時鐘的第一邊沿(CPOL位為’0’時就是下降沿，CPOL位為’1’時就是上升沿)進行數據位采樣，數據在第一個時鐘邊沿被鎖存。

通過這兩位可以得到四種不同的組合，就被作為SPI總線的工作模式（ 模式0~模式3 ），到底要選擇哪種模式，主機的工作模式必須根據從設備的數據手冊的說明進行設置。

在實際的開發過程中，使用最多是模式0和 模式3 ，比如2.4G無線通信模塊NRF24L01采用模式0來通信。

3.2 數據幀格式

• 根據SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位，輸出數據位時可以MSB(高位先出)在先也可以LSB(低位先出)在先。主機的數據格式必須要根據從機的數據格式進行設置。
• 根據SPI_CR1寄存器的DFF位，每個數據幀可以是8位或是16位。所選擇的數據幀格式對發送和/或接收都有效。

DFF ：數據幀格式 (Data frame format)

• 0：使用8位數據幀格式進行發送/接收；
• 1：使用16位數據幀格式進行發送/接收。
  注：只有當SPI禁止(SPE=0)時，才能寫該位，否則出錯

LSBFIRST ：幀格式 (Frame format)

• 0：先發送MSB；
• 1：先發送LSB。
  注：當通信在進行時不能改變該位的值。

4 通信速率

5 使用流程

The SPI HAL driver can be used as follows:

  (#) **Declare a SPI_HandleTypeDef handle structure**, for example:
      `SPI_HandleTypeDef  hspi`;

  (#)**Initialize the SPI low level resources** by implementing the `HAL_SPI_MspInit()` API:
      (##) **Enable the SPIx interface clock**
      (##) **SPI pins configuration**
          (+++) Enable the clock for the SPI GPIOs
          (+++) Configure these SPI pins as alternate function push-pull
      (##) **NVIC configuration if you need to use interrupt process**
          (+++) Configure the SPIx interrupt priority
          (+++) Enable the NVIC SPI IRQ handle
      (##) **DMA Configuration if you need to use DMA process**
          (+++) Declare a DMA_HandleTypeDef handle structure for the transmit or receive Stream/Channel
          (+++) Enable the DMAx clock
          (+++) Configure the DMA handle parameters
          (+++) Configure the DMA Tx or Rx Stream/Channel
          (+++) Associate the initialized hdma_tx(or _rx)  handle to the hspi DMA Tx or Rx handle
          (+++) Configure the priority and enable the NVIC for the transfer complete interrupt on the DMA Tx or Rx Stream/Channel

  (#) **Program the Mode, BidirectionalMode , Data size, Baudrate Prescaler, NSS
      management, Clock polarity and phase, FirstBit and CRC configuration in the hspi Init structure.**

  (#) **Initialize the SPI registers by calling the** `HAL_SPI_Init() API`:
      (++) This API configures also the low level Hardware GPIO, CLOCK, CORTEX...etc)
          by calling the customized HAL_SPI_MspInit() API.

簡述如下：

• 聲明一個 SPI_HandleTypeDef 句柄結；
• 通過 HAL_SPI_MspInit() 初始化 SPI 低級資源；
  • 使能 SPIx 接口時鐘
  • SPI 引腳配置
  • 如果需要使用中斷進程，配置NVIC
  • 如果需要使用DMA進程，配置DMA
• 在hspi初始化結構體中配置Mode, BidirectionalMode , Data size, Baudrate Prescaler, NSS, management, Clock polarity and phase, FirstBit and CRC
• 通過調用 HAL_SPI_Init()初始化 SPI 寄存器：