四、GD32 MCU 常见外设介绍（8）SPI 模块介绍

news2024/11/18 13:47:46

串行外设接口（Serial Peripheral Interface，缩写为 SPI） 提供了基于SPI 协议的数据发送和接收功能， 可以工作于主机或从机模式。 SPI 接口支持具有硬件 CRC 计算和校验的全双工和单工模式。

8.1.SPI 基础知识

SPI 物理层

SPI接口采用主从模式（Master Slave）架构；支持一主一从模式和一主多从模式，但不支持多主模式。它是一种同步高速全双工的通信总线，总体结构如下图常见的SPI通讯系统所示。

一个主机连接四个从机，其中一个SPI总线一般有四个信号分为：

SCLK：时钟信号，由主机产生并控制。

MOSI：主机数据输出，从机数据输入。

MISO：主机数据输入，从机数据输出。

SS/NSS：从机片选使能信号，由主机控制。在一主对多从的模式下，每一个从机都需要独占一个SS，也就是说有多少个从机就有多少个片选信号。

SPI 协议层

SPI的协议定义了通信的起始信号、停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。下面我们分析一下两个设备通过SPI总线通信的过程，SPI通信时序图如下图通讯时序所示：

SPI 通讯时序

这个是一个主机的通信时序，信号线 NSS、SCK、MOSI 都是由主机控制，MISO 是由从机进行控制。其中 MOSI 和 MISO 上的数据仅在 NSS 为低时才有效，并且每个SCK 时钟周期只交换一位数据。

起始信号和停止信号：如_SPI通讯时序图_中①和⑥分别表示通信的起始和结束，这些信号的产生是通过主机将片选信号(NSS)置低和置高实现的。NSS 除了是开始和结束信号的产生者，它也是主机和从机通信的选择者，当一个主机对多个从机通信时，主机通过置低从机的 NSS 信号线来选择与哪个从机进行通信。

时钟同步：SPI 总线是一个同步全双工的通信总线，所以 SPI 的数据传输是需要 SCK 时钟信号严格同步的，每一个 SCK 周期只传输一位数据，这一个周期里要完成数据的准备和采样，且数据的输入和输出是同时进行的。MSB 先行或 LSB先行协议中是没有硬性规定，只需通信双方保持统一即可。SPI 每次数据传输可以是 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

数据有效性：SPI 在 SCK 时钟的同步下进行数据的准备和采样，过程如图 1-2 的②③④⑤所示。在 NSS 为低的情况时，在 SCK 的上升沿时 MISO 和 MOSI 进行数据准备，SCK 的下降沿时读取 MISO 和 MOSI 上的数据。在 NSS 为高时，MISO 和MOSI 上的数据无效。

SPI 工作模式：如_SPI通讯时序图_只是 SPI 的一种工作模式，SPI 一共有四种工作模式。他们的区别是总线空闲时 SCK 的电平状态和数据采样时刻。这四种模式的配置是通过配置“时钟极 性 CKPL”和“时钟相位 CKPH”的电平来实现的。

  1. CKPL=0 时，SCK 引脚在空闲状态保持低电平；

  2. CKPL=1 时，SCK 引脚在空闲状态保持高电平；

  3. CKPH=0 时，SCK 时钟的第一个边沿进行采样；

  4. CKPH =1 时，SCK 时钟的第二个边沿进行采样。

四种模式如下图SPI通讯模式所示：

SPI 数据传输流程

前面我们了解了SPI协议的物理连接方式和SPI的具体协议和SPI的四种工作模式，下面我们从整体上分析一下SPI通信的流程。通过前面的内容可知，在一个SCK周期内，SPI会完成如下操作：

  1. 主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据。

  2. 从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。

这是通过移位寄存器来实现的。如下图所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。通信流程如图所示：

 

8.2.GD32 SPI 外设原理简介

因篇幅有限，本文无法详细介绍GD32所有系列SPI外设接口，下面以GD32F30x为列，着重介绍下GD32F30x的SPI外设简介和结构框图，后介绍下各个系列的差异。

GD32 SPI 主要特性

◼ 具有全双工和单工模式的主从操作；

◼ 16位宽度，独立的发送和接收缓冲区；

◼ 8位或16位数据帧格式；

◼ 低位在前或高位在前的数据位顺序；

◼ 软件和硬件NSS管理；

◼ 硬件CRC计算、发送和校验；

◼ 发送和接收支持DMA模式；

◼ 支持SPI TI模式；

◼ 支持SPI NSS脉冲模式；

◼ 支持SPI四线功能的主机模式（仅在SPI0中）。

GD32的SPI外设还支持I2S功能，I2S功能是一种音频串行通讯协议，如果需要学习请参考各个系列的User_Manual，本文不做过多的介绍。

SPI 结构框图介绍

SPI 通讯模式

 

通讯引脚：如_SPI通讯模式图_的①所示，GD32硬件接口SCK、NSS、MOSI、MISO为标准的SPI协议的四条信号线；IO2、IO3为GD32的SPI四线模式使用到的引脚，分别为：发送或接收数据2线和3线（在GD32F30x中仅SPI0支持四线主机模式）。各个系列的SPI个数不同，SPI接口和芯片I/O口的对应关系，可查阅各个系列的Datasheet。

时钟生成器：如_SPI通讯模式图_的②所示，SCK线的时钟信号，是由波特率发生器根据“控制寄存器0（SPI_CTL0）”中的PSC[2:0]位控制的。具体分频选择如下

000：PCLK/2 100：PCLK/32

001：PCLK/4 101：PCLK/64

010：PCLK/8 110：PCLK/128

011：PCLK/16 111：PCLK/256

当使用SPI0时，PCLK=PCLK2，当使用SPI1和SPI2时，PCLK=PCLK1。

数据通讯单元：如_SPI通讯模式图_的③所示，SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标接收、发送缓冲区以及MISO、MOSI线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。

通过写SPI的“数据寄存器（SPI_DATA）”把数据填充到发送缓冲区中，通讯读“数据寄存器（SPI_DATA）”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器0（SPI_CTL0）”的“FF16位”配置成8位及16位模式；配置“LF位”可选择MSB先行还是LSB先行。

下面以SPI作为主机MSB先行收发数据来分析一下通讯流程：

  1. 控制NSS信号线进入低电平，选中从器件发出通信开始信号；

  2. 检查“发送缓冲区”是否为空（SPI_STAT的TBE是否为1），如果为空，将所需要发送的数据写入“发送缓冲区”；

  3. “发送缓冲区”里的数据一次性写入“移位寄存器”，一旦“发送缓冲区”里的数据写入“移位寄存器”SPI通信正式开始；

  4. “移位寄存器”通过MOSI信号线从高位一位一位的发送到接收方，由于SPI的通信时全双工的，所以MOSI每发出一位MISO就接收一位存入移位寄存器；

  5. 直到一个数据单元发完(数据单元大小8位/16位可配置)。“移位寄存器”里接收回来的数据将一次性写入“接收缓冲区”，这时SPI_STAT的RBNE位将置1。也就是说“接收缓冲区”已有数 据。这时就可以读取数据了。

  6. 如果要发多组数据或者收多组数据，只需重复第2,3,4,5步。注意如果只收不发时，只需发送0xFF即可；

  7. 当所有数据都通信完成控制NSS信号进入高电平，通信正式结束。

各系列 SPI 功能差异

GD32系列MCU有关SPI外设各系列功能差异如下表所示

8.3.硬件连接说明

SPI 串行 Flash 硬件连接图

如图所示，为典型的SPI外设硬件连接图：GD25Q40是一种使用 SPI通讯协议的NOR FLASH存储器，它的CS/SCLK/SI/SO引脚分别连接到了GD32对应的SPI引脚NSS/SCK/MOSI/MISO上，其中GD32的NSS引脚是一个普通的GPIO，不是SPI的专用NSS引脚，所以程序中我们要使用软件控制的方式。若硬件设计中为SPI_NSS可以程序里可以配置为硬件控制方式。

读者可以根据典型硬件连接图和相应系列的Datasheet设计出自己的硬件连接方式。

8.4.软件配置说明

本小节讲解SPI_Example历程中SPI模块的配置说明，主要包括外设时钟配置、GPIO引脚配置、SPI外设配置、主函数介绍以及运行结果。本例程主要介绍GD32 MCU各系列SPI0模块的数据发送，有关SPI其他功能例程可参考各系列固件库例程。

外设时钟配置

外设时钟配置如代码清单例程时钟配置所示，在GD32全系列MCU中需打开GPIOA和SPI0的时钟，由于使用到PA3/PA5/PA7引脚以及SPI0模块，另外，在GD32F10X、GD32F20X、GD32F30X、GD32E10X中需要打开AF时钟。

void rcu_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X || GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || 
GD32E23X
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI0);
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X
rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
#elif defined GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X
#endif
#endif
}

GPIO 引脚配置

GPIO引脚配置如代码清单SPI例程GPIO引脚配置所示，GD32F10X、GD32F30X、GD32F20X、GD32E10X系列GPIO配置相同，PA5、PA7需配置为复用推挽输出、PA6需配置为浮空输入、PA3作为片选控制引脚配置为推挽输出模式；GD32F1X0、GD32F4XX、GD32F3X0、 GD32E23X系列GPIO配置基本相同，不同在于PA5/PA6/PA7引脚的AF复用功能配置不同，在GD32F1X0、GD32F3X0和GD32E23X上，需要配置为AF0模式，在GD32F4XX上需要配置为AF5模式。GPIO配置完成后，例程中将CS片选信号拉高。

void gpio_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X
 /* SPI0 GPIO config:SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
 gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7);
 gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);
 /* PA3 as NSS */
 gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_3);
#elif defined GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X
#if defined GD32F1X0 || GD32F3X0 || GD32E23X
 /* SPI0 GPIO config: SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
 gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_0, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
#elif defined GD32F4XX
 gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_5, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
#endif
 gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
 gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
 gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_3);
 gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_3);
#endif 
SET_SPI0_NSS_HIGH
}

SPI 外设配置

SPI外设配置如代码清单SPI例程SPI外设配置所示。GD32全系列MCU中SPI外设配置基本相同，在本例程中，SPI0作为主机全双工模式，GD32标准库提供了SPI初始化结构体及初始化函数来配置SPI外设，其初始化结构体说明如表 0-13 SPI初始化结构体说明列表所示，SPI初始化结构体填充完成后，调用spi_init函数进行SPI外设配置，配置完成后，调用spi_enable使能SPI外设。

void spi_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD|| GD32F30X_HD || GD32F1X0 || GD32F20X_CL || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E10X || 
GD32E23X
 spi_parameter_struct spi_init_struct;
 /* SPI0 parameter config */
 spi_init_struct.trans_mode = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;
 spi_init_struct.device_mode = SPI_MASTER;
 spi_init_struct.frame_size = SPI_FRAMESIZE_8BIT;
 spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;
 spi_init_struct.nss = SPI_NSS_SOFT;
 spi_init_struct.prescale = SPI_PSC_256;
 spi_init_struct.endian = SPI_ENDIAN_MSB;
 spi_init(SPI0, &spi_init_struct);
 spi_enable(SPI0);
#endif 
}

SPI 初始化结构体说明列表

主函数说明 

主函数如代码清单SPI例程主函数所示，该主函数主要分成四部分，RCU时钟配置、 GPIO 配置、SPI外设配置和while（1）主函数，前三部分已在前三小节介绍，在while(1)主循环中采用查询的方法循环发送SPI数据，单次循环数据填充完成后，查询RBNE和TRANS标志位判断数据发送 完成，然后拉高CS片选，完成单次循环发送。 

int main(void)
{
 /* peripheral clock enable */
 rcu_config();
 /* GPIO config */
gpio_config();
 /* SPI config */
 spi_config();
 while(1)
{
 SET_SPI0_NSS_LOW
 /* wait for transmit complete */
 while(send_n < arraysize){
 while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TBE));
 spi_i2s_data_transmit(SPI0, spi0_send_array[send_n++]);
 }
 while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_RBNE));
 while(RESET != spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TRANS))
 {}
 SET_SPI0_NSS_HIGH
 send_n = 0;
}
}

运行结果

将SPI_Example例程按照对应的芯片工程编译完成后，下载到对应芯片中，采用示波器或者逻辑分析仪查看SPI_CS、SPI_CLK、SPI_MOSI引脚波形，如下图SPI发送逻辑分析仪抓取波形图所示，通过协议解析后，SPI数据发送正确。

8.5.SPI 使用注意事项

(1) 在切换SPI时钟前要关闭SPI，切换完成后再使能SPI。

(2) 在采用SPI发送数据时，发送buf空标志TBE置位，并不代表数据发送完成，仅代表数据从发送数据寄存器移到发送移位寄存器中，如果通过查询TBE标志来拉高CS片选，由于GD32系列MCU代码执行效率较高，当发送速率较低时可能会出现当TBE置位时，拉高CS片选，此时数据还未完成发送，造成从机接受数据出错。可以通过查询接收数据寄存器非空RBNE和TRANS标志位来判断数据发送完成，然后再拉高CS片选。

(3) SPI的MISO管脚需配置为浮空输入模式，否则有可能数据接收异常。

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