SPI驱动学习一（协议原理）

一、SPI协议介绍
- 1. SPI 协议概述
- 2. SPI 总线的主要组成部分
- 3. SPI 协议的工作原理
- 3. SPI 通信模式
二、SPI 协议的优点与缺点
三、应用实例与常见问题
- 1. 常用外设设备
- 2. 常见问题
- 3. 同时上电问题详细分析
- - 可能的原因
  - 解决方案

一、SPI协议介绍

1. SPI 协议概述

SPI（Serial Peripheral Interface）协议是一种用于微控制器与外部设备之间串行数据通信的标准接口协议。SPI协议由摩托罗拉公司最初开发，广泛应用于各种电子设备中，如传感器、存储设备、显示器等。

SPI是一种同步串行通信协议，允许多个外部设备与主设备（通常是微控制器）进行数据交换。SPI协议的基本通信方式是全双工，即可以同时进行数据的发送和接收。也可以是单向的，数据传输的长度通常以字节为单位。SPI协议没有定义速度限制，读写操作由主设备发起，且外设的写操作和读操作是同步完成的.

2. SPI 总线的主要组成部分

主设备（Master）: 负责启动通信和时钟生成的设备，通常是微控制器。
从设备（Slave）: 被主设备控制的设备，可以是传感器、存储器等。一个SPI总线可以有多个从设备。
时钟线（SCK）: 主设备提供的时钟信号，用于同步数据传输。
主输出从输入线（MOSI, Master Out Slave In）: 主设备向从设备发送数据的线路。
主输入从输出线（MISO, Master In Slave Out）: 从设备向主设备发送数据的线路。
片选线（SS, Slave Select， CS，Chip Select，芯片选择引脚）: 用于选择具体的从设备。通常，片选线是低电平有效的，当片选线为低电平时，从设备被选中进行通信。

引脚含义如下：

引脚	含义
DO(MOSI)	Master Output, Slave Input， SPI主控用来发出数据，SPI从设备用来接收数据
DI(MISO)	Master Input, Slave Output， SPI主控用来发出数据，SPI从设备用来接收数据
SCK	Serial Clock，时钟
CS	Chip Select，芯片选择引脚

3. SPI 协议的工作原理

初始化:
- 主设备配置SPI总线的参数，包括时钟极性（CPOL）、时钟相位（CPHA）和数据位顺序。
- 主设备选择一个或多个从设备，并通过片选线来激活它们。
数据传输:
- 主设备生成时钟信号，并通过SCK线发送。
- 数据通过MOSI线发送到从设备，同时从设备通过MISO线将数据发送回主设备。
- 由于SPI是全双工的，数据可以在每个时钟周期内同时发送和接收。
结束通信:
- 当数据传输完成后，主设备将片选线设置为高电平，结束与从设备的通信。

3. SPI 通信模式

SPI的通信模式主要由以下两个参数决定：

时钟极性（CPOL, Clock Polarity）: 定义了时钟信号的空闲状态是高电平还是低电平。
- CPOL = 0: 空闲状态为低电平。
- CPOL = 1: 空闲状态为高电平。
时钟相位（CPHA, Clock Phase）: 表示相位，即第一个还是第二个时钟沿采样数据。时钟沿为上升沿或者下降沿。
- CPHA = 0: 第一个时钟沿采样数据
- CPHA = 1: 第二个时钟沿采样数据

综合这两个参数，可以得到四种SPI通信模式：

CPOL	CPHA	模式	含义
0	0	0	SPICLK初始电平为低电平，在第一个时钟沿采样数据
0	1	1	SPICLK初始电平为低电平，在第二个时钟沿采样数据
1	0	2	SPICLK初始电平为高电平，在第一个时钟沿采样数据
1	1	3	SPICLK初始电平为高电平，在第二个时钟沿采样数据

我们常用的是模式0和模式3，因为它们都是在上升沿采样数据，不用去在乎时钟的初始电平是什么，只要在上升沿采集数据就行。

极性选什么？格式选什么？通常去参考外接的模块的芯片手册。比如对于OLED，查看它的芯片手册时序部分：

SCLK的初始电平我们并不需要关心，只要保证在上升沿采样数据就行。

假设现在主控芯片要传输一个0x56数据给SPI Flash，时序如下：
在这里插入图片描述

首先CS0先拉低选中SPI Flash，0x56的二进制就是0b0101 0110，因此在每个SCK时钟周期，DO输出对应的电平。SPI Flash会在每个时钟周期的上升沿读取D0上的电平。

二、SPI 协议的优点与缺点

优点:

高速: SPI可以实现高数据传输速度。
全双工通信: 支持同时发送和接收数据。
灵活性: 可以连接多个从设备，且通信方式灵活。

缺点:

引脚多: 每个从设备需要一个单独的片选线，增加了硬件复杂性。
没有标准: SPI没有统一的标准，不同的实现可能会有所不同。

三、应用实例与常见问题

1. 常用外设设备

存储器: SPI接口常用于与EEPROM、闪存等存储器进行数据通信。

传感器: SPI常用于连接各种传感器，如温度传感器、加速度计等。
显示器: SPI用于与液晶显示器（LCD）和OLED显示器进行数据传输。

2. 常见问题

在不同微控制器平台上实现SPI协议时，常见的错误和问题主要包括以下几个方面：

硬件连接错误：硬件接线不正确是导致SPI通信失败的常见原因。例如，SCK、MOSI、MISO引脚接错或者主从设备之间的数据线连接错误。
初始化配置错误：在软件层面，如果SPI的时钟没有正确配置，或者IO口没有正确初始化，也会导致通信失败。
数据长度不一致：主从设备的数据长度设置不一致，如主机发送16位数据而从机只接收8位，会导致数据接收异常。
DMA配置问题：在使用DMA进行SPI通信时，如果DMA的优先级设置不正确，或者在DMA传输完成中断中数据包大小设置异常，可能会导致数据丢失或错位。
速率不匹配：如果SPI的通信速率超过从设备的极限，会导致数据传输错误。应确保主机的通信速率不要超过从机SPI的最大速率。
同时上电问题：在某些情况下，如果主机和从机同时上电，即使主机有延时，通信也可能异常。这可能与硬件设计或初始化顺序有关。
多从设备选择问题：在一主多从的SPI通信中，如果片选信号（CS）管理不当，可能会导致通信错误。使用硬件片选可以提高通信稳定性。
数据移位问题：在某些SPI通信中，可能会遇到数据整体移位的问题，这通常与时钟信号的相位有关。更改CPOL和CPHA的配置可能有助于解决这个问题。
SPI模式错误：SPI的工作模式设置错误，如主从模式选择与实际连接方式不符，也会导致通信问题。
SPI时钟频率问题：如果SPI的时钟频率设置过高，超出了从设备的处理能力，或者与主设备的时钟频率不匹配，可能会导致数据错误。

为了避免这些问题，开发者需要仔细检查硬件连接，确保SPI接口的初始化配置正确，同时在软件层面进行适当的错误处理和调试。在设计系统时，还应考虑到SPI通信的稳定性和可靠性，选择合适的通信速率，并正确管理片选信号。

同时上电的情况在SPI通信中确实可能引发一些问题。这些问题通常与硬件设计、初始化顺序以及电气特性有关。以下是可能导致通信异常的原因以及相应的解决方法：

3. 同时上电问题详细分析

可能的原因

初始化顺序问题：
- 如果主设备和从设备在同一时刻上电，可能导致初始化过程中出现冲突。例如，从设备可能尚未准备好接收数据，而主设备已经开始发送数据。
片选线（SS）状态不明确：
- 片选线（SS）的状态可能影响从设备的行为。如果在上电期间片选线的状态不明确（例如，它可能在高电平和低电平之间波动），从设备可能无法正确识别主设备的通信请求。
电源稳定性：
- 主机和从机的电源可能不稳定，导致通信时出现电气噪声或电压不足，从而影响数据传输的可靠性。
时钟信号问题：
- 时钟信号的稳定性和准确性也很重要。如果在上电期间时钟信号未稳定，可能会导致数据同步问题。
电气干扰：
- 在上电期间，电气噪声或干扰可能会影响SPI总线的信号质量，导致通信错误。

解决方案

添加上电延时：
- 确保主设备和从设备在上电后有足够的时间进行初始化。这可以通过在主设备上添加启动延时来实现，以确保从设备有足够的时间进行初始化。
使用硬件复位电路：
- 在设备上电时，使用硬件复位电路（例如复位引脚或电容）来确保设备在启动时进入一个已知的状态。这有助于确保设备在通信开始之前处于稳定的状态。
确保片选线稳定：
- 确保片选线（SS）的状态在设备上电期间是稳定的。可以通过外部上拉电阻或上拉电路来确保片选线在设备启动时保持在一个稳定的电平。
优化电源设计：
- 确保电源的稳定性和质量，使用适当的去耦电容来减少电源噪声和波动。
检查时钟信号：
- 确保时钟信号稳定，并在主设备和从设备之间保持良好的时钟同步。
增加软件重试机制：
- 在软件层面，可以设计重试机制。如果通信失败，主设备可以尝试重新发送数据或者等待从设备准备好后再进行通信。
添加延时电路：
- 在电路中添加延时电路来确保在设备上电后的某个时间点开始SPI通信。