什么是SPI
????SPI 是英語(yǔ)Serial Peripheral interface的縮寫,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),通過各自的片選信號(hào)進(jìn)行管理。
????SPI是全雙工且SPI沒有定義速度限制,一般的實(shí)現(xiàn)通常能達(dá)到甚至超過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[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”,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)通過向它的SPI串行寄存器寫入一個(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)通過發(fā)送SCLK時(shí)鐘信號(hào),來(lái)告訴從機(jī)寫數(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)寫到發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)(Menory),緩存區(qū)經(jīng)過移位寄存器(0~7),串行移位寄存器通過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MISO信號(hào)線返回給主機(jī)。同時(shí)通過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,沒有讀和寫的說(shuō)法,外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。如果只進(jìn)行寫操作,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,它們稱為時(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,這就完了?SPI就是如此,他沒有規(guī)定最大傳輸速率,沒有地址方案,也沒規(guī)定通信應(yīng)答機(jī)制,沒有規(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,讀寫數(shù)據(jù)同時(shí)操作,這就是SPI
????些通信控制都得通過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):沒有指定的流控制,沒有應(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
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
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typedef struct{uint16_t SPI_Direction; /*!< 傳輸方向,兩向全雙工,單向接收等*/uint16_t SPI_Mode; /*!< 模式選擇,確定主機(jī)還是從機(jī) */uint16_t SPI_DataSize; /*!< 數(shù)據(jù)大小,8位還是16位 */uint16_t SPI_CPOL; /*!< 時(shí)鐘極性選擇 */uint16_t SPI_CPHA; /*!< 時(shí)鐘相位選擇 */uint16_t SPI_NSS; /*!< 片選是硬件還是軟件*/uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; /*!< 分頻系數(shù) */uint16_t SPI_FirstBit; /*!< 指定數(shù)據(jù)傳輸是從MSB還是LSB位開始的。MSB就是二進(jìn)制第一位,LSB就是最后一位 */uint16_t SPI_CRCPolynomial; /*!< CRC校驗(yàn) ,設(shè)置 CRC 校驗(yàn)多項(xiàng)式,提高通信可靠性,大于 1 即可*/}SPI_InitTypeDef;
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void SPI2_Init(void){ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );//PORTB時(shí)鐘使能 RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE );//SPI2時(shí)鐘使能 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //PB13/14/15復(fù)用推挽輸出 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; //設(shè)置SPI單向或者雙向的數(shù)據(jù)模式:SPI設(shè)置為雙線雙向全雙工 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //設(shè)置SPI工作模式:設(shè)置為主SPI SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //設(shè)置SPI的數(shù)據(jù)大小:SPI發(fā)送接收8位幀結(jié)構(gòu) SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS信號(hào)由硬件(NSS管腳)還是軟件(使用SSI位)管理:內(nèi)部NSS信號(hào)有SSI位控制 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //定義波特率預(yù)分頻的值:波特率預(yù)分頻值為256 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //指定數(shù)據(jù)傳輸從MSB位還是LSB位開始:數(shù)據(jù)傳輸從MSB位開始 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC值計(jì)算的多項(xiàng)式 SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure); //根據(jù)SPI_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)SPIx寄存器 SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //使能SPI外設(shè) SPI2_ReadWriteByte(0xff);//啟動(dòng)傳輸 }
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SPI發(fā)送函數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)/HAL庫(kù))
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//標(biāo)準(zhǔn)庫(kù):u8 SPIx_ReadWriteByte(u8 TxData){ u8 retry=0; while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) { }//等待發(fā)送區(qū)空 SPI_I2S_SendData(SPI2, TxData); //通過外設(shè)SPIx發(fā)送一個(gè)byte 數(shù)據(jù) while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) { } //等待接收完一個(gè)byte return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2); //返回通過SPIx最近接收的數(shù)據(jù)} //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;
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審核編輯:湯梓紅
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