stm32—SPI

news2024/11/22 15:06:49

1. SPI

SPI (Serial Peripheral Interface):是由美国摩托罗拉公司(Motorala)最先推出的一种同步全双工串行传输规范,也是一种单片机外设芯片串行扩展接口

SPI 接口主要应用在 EEPROM,FLASH,实时时钟, AD转换器,数字信号处理器和数字信号解码器之间,等要求通讯速率较高的场合

SPI 是一种高速、全双工、串行、同步通信总线

        全双工意味着至少需要有两根数据线,串行意味着是按 bit 位一位一位的传输

        同步意味着通信双方共时钟线:

                SDO        Serial Data Output        串行数据输出

                SDI          Serial Data Input           串行数据输入

                SCLK       Serial Clock                   时钟线

SPI 采用的是主从架构,支持多 slave 模式:


Master:

        SCK  ---> 同时接所有的 Slave 的时钟线

        MOSI ---> 同时接所有的 Slave 的 MOSI 数据线

        MISO ---> 同时接所有的 Slave 的 MISO 数据线

        

        SS1 ---> 接第一个 Slave 的片选信号

        SS2 ---> 接第二个 Slave 的片选信号

        ......


当 Master 要和某个 Slave 通信时:

        enable 这个 Slave

        disable 其他的 Slave

2. SPI 物理层

SPI 总线上可以同时接多个 SPI 设备 (一主多从)

        那么总线上的时钟由谁产生呢?

                谁产生都可以,只要同一时刻没有多个设备同时控制总线就可以了

                同一时刻也只能有一个设备发送数据,但是可以有多个设备同时接收

        通过谁控制时钟线,我们人为的将 SPI 总线上的设备分为:

                Master        主设备:产生时钟信号的设备

                Slave          从设备:接收时钟信号的设备
一主一从:

一主多从:

根据主从设备的区别,有时候两个数据接口命名也会有所不同:

                MOSI:Master Output Slave Input    主设备发送,从设备接收线

                MISO:Master Input Slave Output    主设备接收,从设备发送线
        MOSI 和 MISO 只是 SDO 和 SDI 的不同叫法而已

 
        SCLK:即时钟信号线,用于通讯同步

        另外,SPI 还有一根 NSS(Slave Select)线。因为SPI总线上的设备不像 IIC 总线上的设备有地址,所以我们需要一根额外的线来确定到底与谁进行通信

        这个NSS就是片选信号线,用于选择通讯的从设备,也可用CS表示,每个从设备都有一条独立的NSS信号线,主机通过将某个设备的NSS线置低电平来选择与之通讯的从设备。所以 SPI 通讯以NSS线电平置低为起始信号,以NSS线电平被拉高为停止信号,此线可以利用任何一个GPIO引脚,发送0/1进行片选 (比如#SS表示低电平有效,则发送0表示与该设备通信)

所以 SPI 一般需要 4 根线:SDO / SDI / SCLK / CS (单向传输时可以不需要 CS 线)

3. SPI 协议

协议就是规定数据是如何收发的,SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等内容,无应答机制


(1) 通信起始信号和停止信号

        NSS 信号线由高变低,是 SPI 通讯的起始信号,当从机检测到自己的NSS线为起始信号时,就 知道主机要与自己进行通讯了

        NSS 信号线由低变高,是 SPI 通讯的停止信号

(2) 数据有效性
        SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据,使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI 及 MISO 数据线在 SCLK 的每个时钟周期传输一位数据,且数据输入输出是同时进行的。数据传输时, MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定,但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定,一般都会采用 MSB 先行模式

(3) 通讯模式
      
  CPOL:Clock Polarity  时钟极性

                时钟极性决定不传任何数据时(SPI空闲时)时钟线的电平状态

                        CPOL = 1        不传数据(SPI空闲)时,时钟线保持高电平

                        CPOL = 0      不传数据(SPI空闲)时,时钟线保持低电平


        CPHA:Clock PHAse 时钟相位

                时钟相位决定 SPI 在何时锁定数据(决定数据采集的时刻)
                        CPHA = 1        在时钟线 SCLK 的第二个边沿锁存数据(数据采集)

                        CPHA = 0        在时钟线 SCLK 的第一个边沿锁存数据(数据采集)


也就是说CPOL和CPHA的组合决定数据采集和数据发送的时刻,共四种通讯模式


CPOL = 1,CPHA = 1 通讯模式:

(4) 数据帧格式
        SPI 数据的收发是按Frame为单位,那么一帧数据传送的 bit 位数由什么决定?

                DFF:Data Frame Format 数据帧格式

                        8bits        一帧数据 8 bits

                        16bits      一帧数据 16 bits

                        SPI 数据的收发是按 Frame 为单位

                那么一帧数据又是从LSB还是MSB开始发送?
                        LSBFIRST = 1     LSB(低bit)先发送

                        LSBFIRST = 0     MSB(高bit)先发送

(5) 传输速率
        传输速率由时钟频率决定,有一个原则:就低不就高

4. 模拟 SPI 时序收发数据

5. STM32 SPI 控制器

6. STM32 固件库 SPI 函数接口说明

SDO / SDI / SCLK都是复用自GPIO(无论是主从都没有区别)。如果作为从设备,则NSS(片选)也是复用自GPIO,如果是主设备,则不需要利用GPIO去复用为NSS


(1) 配置 SPI 的 GPIO 引脚
a. 使能 GPIO 时钟   RCC_APB1PeriphClockCmd();

b. GPIO_Init();  ---> AF

c. 配置具体的复用功能   GPIO_PinAFConfig();
(2) 配置 SPI 控制器
a. 使能 SPI 时钟
    
    RCC_APBxPeriphClockCmd();

b. 配置 SPI 控制器
    
void SPI_Init(SPI_TypeDef *SPIx, SPI_InitTypeDef *SPI_InitStruct);

@SPIx:指定要配置的SPI控制器编号
        SPI1, SPI2 ... SP6

@SPI_InitStruct:指向初始化信息结构体

    typedef struct
    {
        uint16_t SPI_Direction; 
		    设置SPI的通信方式
		    可以是半双工/全双工/串行发/串行收
		        SPI_Direction_2Lines_FullDuplex	  全双工
		        SPI_Direction_2Lines_RxOnly		  (两根线半双工)只收
		        SPI_Direction_1Line_Rx			  (一根线半双工)串行接收
		        SPI_Direction_1Line_Tx			  (一根线半双工)串行发

	    uint16_t SPI_Mode;
		    设置SPI的主从模式
		        SPI_Mode_Master		主设备
		        SPI_Mode_Slave		从设备

	    uint16_t SPI_DataSize; 
		    设置SPI传输的数据位长度(数据帧的bit位数)
		        SPI_DataSize_16b   	数据位 16
		        SPI_DataSize_8b		数据位 8
	    
        uint16_t SPI_CPOL;
		    设置SPI的时钟极性(在空闲时SCK时钟线的电平状态)
		        SPI_CPOL_Low		空闲时SCK为低电平
		        SPI_CPOL_High		空闲时SCK为高电平
        
        uint16_t SPI_CPHA;
		    设置SPI的时钟相位(决定在SCK时钟线的第几个边沿采集数据)
		        SPI_CPHA_1Edge	  在第一个边沿采集数据			
                SPI_CPHA_2Edge	  在第二个边沿采集数据
    
            CPOL和CPHA的组合决定数据采集和数据发送的时刻
            需要看从设备支持哪种模式,主模式和从模式必须统一
	
        uint16_t SPI_NSS;
		    设置SPI的NSS信号是由硬件(NSS引脚)还是软件控制,可以理解为片选信号
		        SPI_NSS_Hard   	由硬件NSS引脚控制
		        SPI_NSS_Soft	由用户软件代码控制

        uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;
		    设置SPI波特率的预分频值
	        SPI波特率(传输速率) = 
                        SPI输入时钟频率(APBx时钟) / SPI_BaudRatePrescaler

                SPI_BaudRatePrescaler_2		2分频
		        SPI_BaudRatePrescaler_4     4分频
		        ...
		        SPI_BaudRatePrescaler_256	256分频

	    uint16_t SPI_FirstBit;
		    指定SPI传输数据顺序是高位先发还是低位先发
		        SPI_FirstBit_MSB		高位先发
		        SPI_FirstBit_LSB		低位先发

        uint16_t SPI_CRCPolynomial; 
		    指定CRC(循环冗余校验)校验多项式
		    这个系数只需要大于1就可以了,为了提高通信可靠性

    } SPI_InitTypeDef;
(3) 使能 SPI
SPI_Cmd();
(4) 收发 SPI 数据,以及一些状态标志位
a. 读数据:只有 RXNE == 1 时才能读(可以利用中断去读也可以轮询)
    
怎么去获取标志位:
FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef *SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);

返回值:SET ->1 /  RESET -> 0

    标志位有:
        #define SPI_I2S_FLAG_RXNE       ((uint16_t)0x0001)
        #define SPI_I2S_FLAG_TXE       	((uint16_t)0x0002)
        #define SPI_FLAG_CRCERR         ((uint16_t)0x0010)
        #define SPI_FLAG_MODF          	((uint16_t)0x0020)
        #define SPI_I2S_FLAG_OVR        ((uint16_t)0x0040)
        #define SPI_I2S_FLAG_BSY        ((uint16_t)0x0080)
        ....

怎么读:uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef *SPIx);
--------------------------------------------------------------------------
举例子:利用轮询去接收数据
unsigned char SPI1_Recv_Byte(void) {	
    while (SPI_GetFlagStatus(SPI1, SPI_FLAG_RXNE) != SET);
	return SPI_ReceiveData(SPI1);
}
----------------------------------------------------------------------------
b. 发数据:只有 TXE == 1 时才能发送数据

如何发:void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef *SPIx, uint16_t Data);
-----------------------------------------------------------------------------
举例子:
Void SPI1_Send_Byte(unsigned char ch) {
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);
	SPI_I2S_SendData(SPI1, ch);
}

7. W25Q128

W25Q128 是一款 SPI 接口的 flash 存储器芯片

实现 在 SPI 串行Flash W25Q128 存储芯片的任意地址读写任意字节的数据
 

(1) 接口说明(见原理图)

引脚:        W25Q128                  MCU

                        CS       ----------     PB14

                       CLK      ----------     PB3
                        SO       ----------     PB4
                        SI         ----------     PB5

                        

        CS:片选引脚(低电平有效)

                当CS管脚为高电平时,芯片处在不选择的状态

                当CS管脚为低电平时,芯片处于被选择的状态(此时才能够与MCU通信)


(2) W25Q128 内部存储结构

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