【复旦微FM33 MCU 外设开发指南】外设篇3——SPI

news2024/9/20 18:28:02

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前言

本系列基于复旦微FM33系列单片机的DataSheet编写，旨在提供一些开发指南。
本文章及本系列其他文章将持续更新，本系列其它文章请跳转【复旦微FM33 MCU 外设开发指南】总集篇

本文章最后更新日期：2024/08/31

文章目录

  • 前言
  • GPIO配置
  • SPI配置
    • 1. SPI的寄存器
    • 2. SPI的时钟
    • 3. SPI的工作模式
      • 3.1 主机和从机
      • 3.2 单发送模式和单接收模式
      • 3.3 工作模式
      • 3.4 片选控制
    • 4. SPI的时序控制
      • 4.1 时钟极性和时钟相位
      • 4.2 MISO的时序
      • 4.3 SPI两帧之间的时间间隔
      • 4.4 SPI帧格式
    • 5. SPI的复位
  • SPI发送&接收
    • 1. SPI的状态标志位
    • 2. 等待标志位发送或接收
    • 3. 使用中断发送或接收
    • 4. 通过DMA发送或接收
  • 注意事项
    • 1. SPI单接收模式通过DMA接收数据，多产生两个时钟周期

GPIO配置

要使用SPI功能，需要将使用的引脚配置为数字功能（写GPIO寄存器时要注意打开GPIO时钟）。
（有的引脚需要配置额外数字功能寄存器DFS，详见GPIO章节【复旦微FM33 MCU 外设开发指南】外设篇1——GPIO）
通常，我们会将MISO、MOSI和CLK引脚配置为数字功能，而将CS引脚配置为GPIO输出功能，以实现软件片选。
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可以在SPIx->CR1寄存器中交换MOSI和MISO引脚。
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SPI配置

1. SPI的寄存器

SPIx->CR1：控制寄存器1，用于选择SPI主机/从机、SPI时钟、信号时序
SPIx->CR2：控制寄存器2，用于控制SPI使能、数据字长配置、片选配置
SPIx->CR3：控制寄存器3，用于清空发送缓冲区、清空接收缓冲区、清除错误标志
SPIx->IER：中断使能寄存器，用于发送中断、接收中断、错误中断的使能和关闭
SPIx->ISR：中断标志寄存器，用于SPI BUSY标志、接收缓冲区满标志、发送缓冲区满标志、错误标志等的读取
SPIx->TXBUF：发送缓冲区，用于单次发送数据时写入（通过DMA传输的话会自动写入）
SPIx->RXBUF：接收缓冲区，用于单次读取数据时写入（通过DMA传输的话会自动读取）

2. SPI的时钟

要使用SPI，要在RCC->PCLKCR3寄存器中开启SPI外设的时钟使能。

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SPI外设挂载在APB总线上，因此要调整SPI外设的工作时钟，可以通过对APBCLK预分频，也可以调整SPI的预分频。
（有关时钟的配置详见【复旦微FM33 MCU 外设开发指南】系统篇——时钟）

FM33LC0 SPI外设的预分频在SPIx->CR1寄存器中配置，最高为APBCLK的二分频
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3. SPI的工作模式

3.1 主机和从机

SPI的时序由主机产生。FM33LC0 SPI外设的主机从机模式选择在SPIx->CR1寄存器中配置
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3.2 单发送模式和单接收模式

SPI是全双工通讯，因此在读取数据的时候，也必须发送数据，以产生时钟信号。

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但我们使用的过程中一般是异步的。比如从一块SRAM中读取数据，只需发送一个命令帧告诉SRAM要从哪里读，读多长就可以了，之后SRAM返回其中保存的数据，这种时候主机每一帧发送的数据是无效的。单发送和单接收就可以应用在类似的场景中。

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可以在SPIx->CR2寄存器中使能或关闭单发送模式/单接收模式。
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3.3 工作模式

可以在SPIx->CR2寄存器中控制SPI的工作模式。
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SPI有很多种工作模式，常用四线全双工模式

除此之外有四线半双工（一个MISO/MOSI引脚用于区分命令帧和数据帧）和三线半双工（删除一个MISO/MOSI引脚）等
四线半双工常见的应用就是SPI显示屏

3.4 片选控制

可以在SPIx->CR2寄存器中控制片选。
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![在这里插入图片描述](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/9839168f4b294fc4a1670b548a75f4d5.png
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当然我日常喜欢使用软件片选，而且不通过寄存器去改变片选状态，而是将引脚配置为GPIO输出模式，写GPIOx->DO寄存器来改变其引脚状态。

4. SPI的时序控制

4.1 时钟极性和时钟相位

SPI时序控制最基本的即为时钟极性和时钟相位，SPI的主机和从机应配置为相同的时钟极性和时钟相位。
一般MCU作为SPI的主机使用，从机的时钟极性和时钟相位一般是固定死的，根据从机的DataSheet要求配置即可。

FM33LC0 SPI外设的时钟极性和时钟相位在SPIx->CR1寄存器中配置
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4.2 MISO的时序

除了时钟极性和时钟相位，还可以在SPIx->CR1寄存器中调整MISO的时序
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4.3 SPI两帧之间的时间间隔

SPI传输时，接上示波器，可以观察两个时钟周期之间有时间间隔。
1.如果是多次的单次传输（直接向TXBUF中写入数据然后启动SPI传输），那么这个时间间隔主要是软件等待标志位产生的
2.如果是通过DMA的连续传输，那么这个时间间隔会变得很短。
我们用SPI来和显示屏通讯，会发现使用DMA的刷屏速率会比不用DMA快很多，主要是省下了大量的两帧之间的时间间隔。

可以在SPIx->CR1寄存器中调整SPI的两帧数据之间的等待时间。
（但我认为这个只对DMA传输影响显著，因为多次的单次传输，SPI两帧的时间间隔实在是太久了）
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4.4 SPI帧格式

可以在SPIx->CR2寄存器中调整SPI单帧的传输字长。

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可以在SPIx->CR1寄存器中调整SPI的帧格式为大端或者小端。
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5. SPI的复位

SPI2的复位在RCC->AHBRSTCR1寄存器中。
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SPI1的复位在RCC->AHBRSTCR2寄存器中。
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注意，这里的复位不是说写1就复位了，复位好了之后要写0取消复位。

SPI发送&接收

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1. SPI的状态标志位

SPI的状态标志位在SPIx->ISR寄存器中查询。
虽说这个寄存器叫中断状态标志位，但没开启中断的时候，这个标志位也会置位，只是不响应中断罢了。

SPIx->ISR寄存器中常用的三个标志位：
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RXBF和TXBE标志位对应SPIx->IER寄存器中可以开启的接收完成中断和发送完成中断，即开启中断后，如果TXBE和RXBF置位，就会进入中断服务函数，在中断服务函数中可以判断中断来源。
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那RXBF和TXBE什么时候置位？根据描述来开，是接收缓存满或者发送缓冲区空的时候。
但必须注意接收缓存满不代表接收完成，发送缓冲区空也不代表发送完成。

通过文首结构框图，可以看到不仅有发送/接收缓冲区，也有发送/接收移位寄存器。
在写入SPIx->TXBUF后，数据会从SPIx->TXBUF传入发送移位寄存器中，这时SPIx->TXBUF空，并置位TXBE标志，进入中断服务函数。
但这时发送移位寄存器的值还没有发送出去。

BUSY标志位才能代表当前是否有数据传输，只有在移位寄存器空，才会清零BUSY标志位，代表SPI当前没有数据传输
如果没有意识到这点，在写软件的时候会经常遇到一些错误，比如接收数组里没有最后一帧。
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2. 等待标志位发送或接收

在发送时，向SPIx->TXBUF寄存器写入，然后等待BUSY标志
在接收时，向SPIx->TXBUF寄存器写入任意数据（因为SPI是全双工），然后等待BUSY标志，读取SPIx->RXBUF
多字节的发送/接收就是重复这个过程。

这种方式最简单，缺点是效率很低，而且软件死等的方式在软件开发中很危险，如果等不到标志程序就死在那里了，除非看门狗复位。

3. 使用中断发送或接收

在发送时，使能发送中断，向SPIx->TXBUF寄存器写入，在中断服务函数中等待BUSY标志为0，即为发送完成
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如果还要继续写入数据，在中断服务函数中可以不等待BUSY标志为0，直接向SPIx->TXBUF写入，以实现连续的发送。
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当然，进入中断之后要判断产生中断的原因，是发送完成中断、接受完成中断还是错误中断。

4. 通过DMA发送或接收

这里DataSheet上写的很好，不做过多阐述。
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注意事项

1. SPI单接收模式通过DMA接收数据，多产生两个时钟周期

应用场景： 主机使用单发送模式向从机发送命令字节，随后开启单接收模式，通过DMA接收从机回发数据
问题描述： 用示波器看波形，会发现多了两个时钟周期，配置spi字长为8bit，就会多出两个8bit时钟；配置spi字长为16bit，就会多出两个16bit时钟
调试记录：
1.收到的数据无误
2.使能SPI后时钟线立刻产生了两个时钟周期，因此和DMA无关，可能是SPI单接收模式的问题
3.如SPI不使用单接收模式而使用全双工接收数据，相同情况下时钟线不会产生两个时钟周期。确认是单接收模式的问题
推测原因：
在分析原因之前，重复一下SPI外设的特性：

  • SPI是全双工通信，主机即使只接收数据也要向TX缓冲区写数据，时钟产生并开启传输。即使将SPI配置为单接收模式，也是SPI外设自动向TX缓冲区填写数据，时钟产生并开启传输
  • SPI外设有缓冲区和移位寄存器，从机返回的数据将先进入移位寄存器，再进入接收缓冲区。在接收缓冲区非空的时候，移位寄存器的数据是无法进入接收缓冲区的。因此如果主机接收缓冲区读的不及时，接收缓冲区非空，移位寄存器无法写入接收缓冲区，则SPI传输中止（时序由主机提供）

根据以上特性，可以分析出原因：

  • 当读取完一组数据后，SPI还在单接收模式中，继续往TX缓冲区填写数据，因此继续产生时钟，有时钟就有接收到的数据（如果从机不响应，则接收到的就是全0）
  • 但是SPI主机没有继续读取RX缓冲区的数据（因为已经收到了设定长度的数据），导致RX缓冲区满，进而导致移位寄存器无法写入接收缓冲区。
  • 因此，多出的第一个时钟周期的数据在接收缓冲区中，第二个时钟周期的数据在移位寄存器中
  • 最终因为移位寄存器满而停止传输

解决办法：
在DMA传输下，不使用单接收模式，使用全双工模式。
这是因为DMA接收时会自动写TXBUF，不需要再配置单接收模式。
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