STM32 SPI通信

一、SPI总线简介

1.1 SPI总线

串口外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线是一种同步串行外设接口，允许MCU与各种外围设备进行全双工、同步串行通信

SPI总线有四根通信线：

①SCK（Serial Clock，串行时钟）：作为主设备的输出、从设备的输入

②MOSI（Master Output Slave Input）：主设备发送数据，从模式接收数据

③MISO（Master Input Slave Output）：主设备接收数据，从模式发送数据

④SS（Slave Select，片选引脚，低电平有效）：选择从机，让主设备可以单独地与特定从设备通信，避免数据线上地冲突

SPI总线采用主从模式（Master - Slave）架构，支持总线挂载多设备（一主多从），被广泛应用于MCU和外设模块（如E2PROM、ADC、显示驱动器等）

在大容量和互联型产品上，SPI可以配置为支持SPI协议或者支持I²S音频协议

1.2 SPI硬件电路

所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起

主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的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

为了避免一个主机输入，其他从机均为推挽输出，导致的总线冲突：SPI规定，当从机SS引脚为高电平时，其输出引脚必须切换为高阻态

1.3 SPI通信原理

SPI为环形总线结构。通信总是由主机发起，在同步SCK驱动下，主机移位寄存器的最高位数据通过MOSI移位到从机移位寄存器的最低位，而从机移位寄存器的最高位数据通过MISO移位到主机移位寄存器的最低位。循环上述过程8次，则通信一个字节数据

1.4 SPI通信时序

1.4.1 起始与终止

1.4.2 交换模式

根据CPOL（Clock Polarity，时钟极性）和CPHA（Clock Phase，时钟相位）两位组合，共有四种组合模式

（1）模式0（常用）

CPOL = 0：空闲时SCK为低电平

CPHA = 0：第一个边沿（上升沿）移入（采样）数据，第二个边沿（下降沿）移出数据

对于传输的首个数据的最高位，在SS的下降沿就将其移出，之后在SCL的（上升沿）移入（采样）

（2）模式1

CPOL = 0：空闲时SCK为低电平

CPHA = 1：上升沿移出数据，下降沿移入（采样）数据

（3）模式2

CPOL = 1：空闲时SCK为高电平

CPHA = 0：第一个边沿（上升沿）移入（采样）数据，第二个边沿（下降沿）移出数据

对于传输的首个数据的最高位，在SS的下降沿就将其移出，之后在SCL的（上升沿）移入（采样）

（4）模式3

CPOL = 1：空闲时SCK为高电平

CPHA = 1：上升沿移出数据，下降沿移入（采样）数据

1.5 SPI数据格式

SPI：指令码（芯片厂商规定）+寄存器地址+数据

（1）发送指令

向SS指定的设备，发送指令（0x06）

（2）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）

（3）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）

二、W25Q64存储器芯片

2.1 W2Q564简介

时钟频率：160MHz（Dual SPI，双重SPI等效的时钟频率），该存储器的芯片将SPI进行了改进：MOSI和MISO可以同时发送或者同时接收，数据传输速率相当于普通SPI通信模式的2倍

320MHz（Quad SPI，四重SPI等效的时钟频率），MOSI、MISO、WP（写保护）、HOLD，四个引脚同时收发数据，数据传输速率相当于普通SPI通信模式的4倍

2.2 硬件电路

2.3 W2Q564结构框图

存储空间的划分：先划分为若干的块（Block），其中每一块再划分为若干的扇区（Sector），对于一个扇区，内部还可以分成很多页（Page）

W2Q564一共有8MByte的存储空间（00 0000H ~ 7F FFFFH），其中，每块定义占用内存64KB，可分为128块；每扇区定义占用内存4KB，可分为16个扇区；每页定义占用内存256B，可分为16页

块Block（0~127，64KB）：地址变化规律：xx 0000H ~ xx FFFFH（xx：最高两位表示位于某一块，变化范围：00~7F）

扇区Sector（0~15，4KB）：地址变化规律：xx k000H ~ xx kFFFH（k：第四位表示位于某一扇区，变化范围：0~F）

页Page（0~16，256B）：地址变化规律：xx xj00H ~ xx xjFFH（k：第三位表示位于某一页，变化范围：0~F）

2.4 状态寄存器

写使能：WEL = 1，表示可以进行写操作

写失能：WEL = 0

（1）上电后，芯片默认写失能

（1）执行以下指令：写失能、页编程、扇区擦除

在任何写操作前，都需要来一遍写使能

一个写使能，只能保证后续的一条指令可以执行

2.5 指令集

三、SPI外设

STM32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

（1）8位或16位传输帧格式选择

（2）可编程的时钟极性、时钟相位和数据传输顺序（高位先行 or 低位先行）

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

（4）支持全双工同步、或者半双工/单工同步通信

（5）支持多主机模式

（6）支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器，产生发送和接收请求

（7）支持可靠通信的硬件CRC

（8）兼容I²S协议（仅在大容量和互联型产品）

STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2

SPI主模式：

数据发送：当写入数据至发送缓冲器时，发送开始。在发送第一个数据位时，数据字被并行地传入移位寄存器，而后串行的移出到MOSI引脚上，MSB（高位）在先还是LSB（低位）在先，取决于SPI_CR1中LSBFIRST位的设置。当时据从发送缓冲器传输到移位寄存器时，TXE置1，如果设置了SPI_CR1中的TXEIE，将产生中断

数据接收：当数据传输完成时，传送移位寄存器中的数据到接收缓冲器，并且RXNE被置1。如果设置了SPI_CR1中的RXNEIE，将产生中断。当读SPI_DR时，将返回接收缓冲器中的数据，同时RXNE被置0

主模式全双工连续传输：

在模式3下，TXE为1时，数据写入发送缓冲器，此时，发送缓冲器的数据并行传送到移位寄存器

TXE为0，数据开始传输，并将下一位数据写入发送缓冲器，等待第一个数据发送完成

当第一个数据发送完成，交换的数据被接收，放到了接收缓冲器中，并将RXNE置1。

当第二个数据发送完成，交换的数据被接收，放到了接收缓冲器中，并将RXNE置1。

简易流程：

（1）等待TXE为1，写入数据，之后TXE为0

（2）数据移入移位寄存器，TXE为1，下一个数据移入发送缓冲器等待，此时，TXE为1

（3）第一个数据发送完成后，交换的数据从移位寄存器，并行传送到接收缓冲器，将RXNE置1

（4）与此同时，第二个数据迅速转移到移位寄存器，此时TXE为1

（5）接着，将下一位数据写入发送缓冲器中，此时，TXE为1

主模式全双工非连续传输：

（1）等待TXE为1，写入发送数据

（2）等待RXNE为1，接收数据

连续传输优点：传输效率高，性能强大

缺点：软件设计复杂

非连续传输优点：软件设计简单，易于理解

缺点：传输效率相对较低，在字节与字节之间会出现间隙，且随着时钟频率的增快而变长

四、SPI相关库函数

（1）初始化：SPI_Init()

（2）传送数据：SPI_SendData ()

（3）接收数据：SPI_ReceiveData()

五、SPI外设基本配置

（1）开启SPI、GPIO的时钟

（2）配置GPIO的模式

（3）配置SPI外设，完成初始化

	SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
	SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_32;  //波特率分频系数
	SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;  //时钟相位
	SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;  //时钟极性
	SPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial = 7;  //CRC：未用，赋一个默认值
	SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;  //数据帧大小：8位
	SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //双线双向全双工
	SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;  //高位先行
	SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;  //主机
	SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
	SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStruct);

（4）使能SPI外设