STM32_SPI

1、SPI简介

1.1 什么是SPI

        SPI，即Serial Peripheral Interface，串行外设接口。SPI是一种高速的、全双工、同步的串行通信总线；SPI采用主从方式工作，一般有一个主设备和一个或多个从设备；SPI需要至少4根线，分别是MISO（主设备输入，从设备输出）、MOSI（主设备输出，从设备输入）、SCK（时钟）、SS（从机选择）。

        相较于IIC而言，SPI的传输速度更快，SPI协议并没有严格规定最大传输速度，这个最大传输速度一般取决于芯片厂商的设计需求；而IIC由于上拉电阻的原因，电平由低转高时耗时更多，一般速度最快在400KHz。

        所有设备的SCK、MOSI、MISO分别连接在一起；主机另外引出多条SS控制线，分别连接各从机的SS引脚；输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入。

1.2 SPI外设

        TM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担。

        可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行，一般都是8位数据帧、高位先行

        时钟频率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)

        支持多主机模型、主或从操作

        可精简为半双工/单工通信

        支持DMA

        兼容I2S协议（音频传输协议）

        STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2

1.3 极性和相位

        SPI总线有四种不同的工作模式，取决于极性（CPOL）和相位（CPHL）这两个因素。

        CPOL表示CLK空闲时的状态：CPOL=0，空闲时SCK为低电平；反之则为高电平。

        CPHL表示采样时刻：CPHL=0，每个周期的第一个时钟沿采样；CPHL=1，每个周期的第二个时钟沿采样。

2、SPI结构图

        以下结构图来自STM32F103xxx

        这里发送缓冲区就是TDR，接收缓冲区就是RDR，和串口那里一样，TDR和RDR占用同一个地址，统一叫做DR。如果我们需要连续发送一批数据，第一个数据写入到TDR，当移位寄存器没有数据移位时，TDR的数据会立刻转入移位寄存器，开始移位，这个转入时刻，会置状态寄存器的TXE为1，表示发送寄存器空，当我们检查TXE置1后，紧跟着，下一个数据，就可以提前写入到TDR里候着了，一旦上一个数据发完，下一个数据就可以立刻跟进，实现不间断的连续传输。然后移位寄存器这里，一旦有数据过来了，它就会自动产生时钟，将数据移出去，在数据移出的过程中，MISO的数据也会移入，一旦数据移出完成，数据移入也就完成了，这时移入的数据就会整体的从移位寄存器转入到接收缓冲区RDR，这个时刻会置状态寄存器的RXNE为1，表示接收寄存器非空，当我们检查RXNE置1后，就要尽快把数据从RDR读出来，在下一个数据到来之前，读出RDR，就可以实现连续接收。

        基本结构

SPI移位示意图

        从图中可以看出，SPI的数据收发，都是基于字节交换这个基本单元来进行的。当主机需要发送一个字节，并且同时需要接收一个字节时，就可以执行一下字节交换的时序，这要主机要发送的数据就跑到了从机，主机要从从机接收的数据，就跑到了主机，这就完成了发送同时接收的目的。

3、SPI时序

3.1 基本时序单元

        起始条件：SS从高电平切换到低电平

        终止条件：SS从低电平切换到高电平

        SS低电平选中，高电平代表未选中，那么在低电平期间就代表正在通信，下降沿是通信的开始，上升沿是通信的结束。

        交换一个字节（模式0）：

        CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平

        CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

        交换一个字节（模式1）：

        CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平

        CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

        交换一个字节（模式2）：

        CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

        CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

        交换一个字节（模式3）：

        CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

        CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

3.2 SPI时序

        发送指令：向SS指定的设备，发送指令（0x06）

         指定地址写：向SS指定的设备，发送写指令（0x02），随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）

        指定地址读：向SS指定的设备，发送读指令（0x03），随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）

4、示例代码

4.1 软件实现SPI

#include "stm32f10x.h"                  // Device header


//对SPI四个引脚的封装
//从机选择，写SS的引脚
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_W_SCK(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (BitAction)BitValue);
}

void MySPI_W_MOSI(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, (BitAction)BitValue);
}

uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6);
}

void MySPI_Init(void)
{
	//打开时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	//配置端口
	//先定义一个结构体变量
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;	//推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHz
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;	//上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHz
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//引脚初始化之后的默认电平
	MySPI_W_SS(1);	//默认使用高电平，不选择从机
	MySPI_W_SCK(0);	//计划使用SPI模式0，所以默认是低电平
	
}

//写SPI的三个基本时序单元
//起始信号
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);	//根据时序图将SS置低电平
}

//终止信号
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);	//根据时序图将SS置高电平
}

//交换一个字节
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	//定义一个字节，用于接收
	uint8_t i, ByteReceive = 0x00;
	
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{
		//在SS下降沿之后开始交换字节，先有下降沿再有数据移出的动作
		MySPI_W_MOSI(ByteSend & (0x80 >> i));	//这里相当于通过掩码的模式来获取想要的位
		MySPI_W_SCK(1);	//写SCK为1，产生上升沿，上升沿时，从机会自动把MOSI的数据读走，主机的任务就是把从机刚才放到MISO的数据位读进来
		if (MySPI_R_MISO() == 1)
		{
			ByteReceive |= (0x80 >> i);	//这样就把最高位存在ByteReceive中了
		}
		MySPI_W_SCK(0);	//写SCK为0，产生下降沿，下降沿时，主机和从机移出下一位
		
		//该for循环中的内容还可以进行优化，用掩码的方式提取，好处是不会改变ByteSend本身，后面有需要还可以使用
		//用移位数据本身来操作，好处是提高了效率，但是ByteSend这个数据在移位过程中改变了

	}
	
	return ByteReceive;
}

4.2 硬件SPI读写

#include "stm32f10x.h"                  // Device header


//对SPI四个引脚的封装
//从机选择，写SS的引脚
//这里还是使用软件模拟
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
	GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}
	
	//以上代码替换成SPI外设的初始化
	//第一步，开启时钟和GPIO的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
	
	//第二步，初始化GPIO口，其中SCK和MOSI是由硬件外设控制的输出信号，所以配置为复用推挽输出，MISo是硬件外设的输入信号，设置为上拉拉输入，
		//因为输入设备可以有多个，所以不存在复用输入这个东西，SS是软件控制的输出信号，所以配置为通用推挽输出
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;	//推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHz
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHz
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;	//上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHz
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//第三步，配置SPI外设
	SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;	//选择SPI的模式，决定当前设备是SPI的主机还是从机
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;	//这里选择的是双线全双工
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;	//这里选择的是8位数据位
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;	//这里选择的是高位先行
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;	//波特率预分频器，这里SCK的时钟频率就是72MHz / 128
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;	//时钟极性，这里选择的是模式0，空闲时低电平
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;	//时钟相位，这里选择第一个边沿采样，这个和SPI的四种模式有关
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;	//这里选择软件NSS
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;	//CRC校验的多项式，这里填多少都可以，反正我们不用
	SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
	
	//第四步，开关控制，调用SPI_Cmd,给SPI使能即可
	SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
	
	//开启spi之后，还要调用一下MySPI_W_SS，默认给SS输出高电平，默认是不选中从机的
	MySPI_W_SS(1);
}

//写SPI的三个基本时序单元
//起始信号
void MySPI_Start(void)
{
	MySPI_W_SS(0);	//根据时序图将SS置低电平
}

//终止信号
void MySPI_Stop(void)
{
	MySPI_W_SS(1);	//根据时序图将SS置高电平
}

//交换一个字节
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{
	//当调用这个交换字节的函数时，硬件的SPI外设就要自动控制SCK、MOSI、MISO这三个引脚来生成时序了
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);	//等待TXE的标志位为1
	//写入数据至SPD的DR，就是TDR，要发送的数据
	//ByteSend传入到TDR中，之后ByteSend会自动转入移位寄存器，一旦移位寄存器有数据了，就会自动产生时序波形
	SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend);
	//发送和接收是同步的，到接收完成的时候也就代表发送移位完成了，接收移位完成时，会收到一个字节数据，这时会置标志位RXNE
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);	//等待RXNE的标志位为1,表示收到一个字节，同时也表示发送时序产生完成了
	//读取DR，从RDR中，把交换接收的数据读出来
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
	
}
//注意事项1：这里的硬件SPI，必须是发送，同时接收，要想接收必须得先发送，因为只有你给TDR写数据，才会触发时序的生成
	//如果不发送只接收，那时序是不会动的
//注意事项2：TXE和RXNE标志位，在写入SPI_DR时，TXE标志被清除，在读SPI数据寄存器可以清除RXNE标志位，所以按照上面程序的步骤就不用手动清除标志位了