UC头条：单片机外设篇——SPI协议

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文章目录

前言

一、SPI协议的特点

1. 优点

2. 缺点

3. 结构

二、SPI协议分析

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

支持全双工，信号完整性好；

支持高速（100MHz以上）；

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）；

硬件连接简单；

2. 缺点

相比IIC多两根线，有4根线；

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；

没有从设备接受ACK，主设备对于发送成功与否不得而知；

典型应用只支持单主控；

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

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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：

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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。

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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

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(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）

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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;/* 等待发送缓冲区为空，TXE事件 */while(SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE)== RESET){if((SPITimeout--)==0)returnSPI_TIMEOUT_UserCallback(0);}/* 写入数据寄存器，把要写入的数据写入发送缓冲区 */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;/* 判断发送buff的数据是否完成，等待接收缓冲区非空，RXNE事件 */while(SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE)== RESET){if((SPITimeout--)==0)returnSPI_TIMEOUT_UserCallback(1);}/* 读取数据寄存器 */returnSPI_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。

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// 发送函数voidSpim0SendData(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){/*send 8 Byte data*/for(UINT8 i =0; i <8; i++){ SPIM0->DR =*data_buf; data_buf++;} len -=8; wrcnt +=8;}elseif(len >=4){/*send 4 Byte data*/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voidSpim0RecvData( UINT8 *data_buf, UINT16 rev_len){ UINT16 *phalfword =(UINT16*)data_buf; UINT32 *pword =(UINT32*)data_buf;Spim0SetClk(rev_len &0x3ff);/*set rx frames,the maxlen is 0x3ff bytes*/Spim0ClrFifo;Spim0RecAutorcvEn;/*only receive mode en*/Spim0TransStart;while(rev_len !=0){if(rev_len >=4){/*receive 4 byte data*/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）：

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举个简单的例子，使用stm32读flash的设备ID:

u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void){ u32 Temp =0;/* Select the FLASH: Chip Select low */SPI_FLASH_CS_LOW;/* Send 'RDID ' instruction */SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID);// 0xABSPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* Read a byte from the FLASH */ Temp =SPI_FLASH_ReadByte;// 等价于 Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* Deselect the FLASH: Chip Select high */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。

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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voidSpiByteWrite(unsignedchar dat){unsignedchar 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elseSet_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 unsignedcharDS1302ByteRead{unsignedchar mask;unsignedchar 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。

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