零死角玩转stm32中级篇3-SPI总线

news2024/12/24 0:04:03

一.基础知识

1.什么是SPI

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种同步的串行通信协议，它被用于在微控制器、存储器芯片、传感器和其他外围设备之间传输数据。SPI通常由四个线组成：时钟线（SCK）、主设备输出/从设备输入（MOSI）、从设备输出/主设备输入（MISO）和片选线（SS）。SPI通信中，数据在时钟的边沿上进行传输，以实现高速、可靠的数据传输。SPI可以支持单主机和多从机的连接方式，并且具有简单、灵活和可扩展的特点。

(主从连接方式1:一个主机上有多个SS片选信号去连接从机，如下图)
在这里插入图片描述

(主从连接方式2:一个主机上只有一个片选信号可以通过daisy-chained(菊花链)进行连接,如下图)

在这里插入图片描述

备注:图片来源于https://www.circuitbasics.com/basics-of-the-spi-communication-protocol/。

2.SPI和IIC有什么不同

SPI和I2C（Inter-Integrated Circuit，即IIC）都是常见的串行通信协议，它们在一些方面有所不同：

  1. 总线结构：SPI是点对点的结构，每个设备占用一个片选线；而I2C是多主从结构，允许多个设备通过两根共享的线路进行通信。

  2. 传输速率：SPI的传输速率通常比I2C更快，SPI可以达到几百MHz的传输速率，而I2C通常只能达到几十kHz或几百kHz的传输速率。

  3. 电气特性：SPI时钟线和数据线的电平是由驱动器控制的，因此SPI的电气特性更容易控制和优化，而且SPI在长距离传输时噪声抗干扰能力更强；而I2C的时钟和数据线由开漏输出控制，需要加上外部上拉电阻，电气特性控制相对较难。

  4. 硬件资源：SPI传输需要占用多个GPIO，因此需要更多的硬件资源来实现；而I2C只需要两个GPIO，可以减少芯片上的硬件资源占用。

总之，SPI和I2C都有其适用的场景。SPI适用于高速、简单的点对点通信，而I2C适用于多设备的通信，因为I2C允许多个设备在同一个总线上进行通信。

3.SPI的优缺点

优点:

  • 没有启动和停止位，所以数据可以不间断地连续流
  • 没有像 I2C 这样复杂的从站寻址系统
  • 数据传输速率比 I2C 高(几乎是 I2C 的两倍)
  • 单独的MISO 和 MOSI 线路，这样数据可以同时发送和接收

缺点:

  • 使用四根线(I2C 和 UART 使用两根)
  • 没有确认数据已经成功接收(I2C 有这个)
  • 没有像 UART 中奇偶校验位那样的错误检查形式
  • 只允许一个master

4.SPI是怎么实现通信的

① 在SPI通信中，数据是通过一个主设备与一个或多个从设备进行的。通信的过程是主设备向从设备发送数据，并且同时接收从设备发回的数据。SPI总线由四个信号线构成，分别是：

  1. SCLK（Serial Clock）：时钟线，用于同步主从设备之间的数据传输。

  2. MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出数据到从设备的信号线。

  3. MISO（Master In Slave Out）：从设备输出数据到主设备的信号线。

  4. SS（Slave Select）：从设备的选中信号线，用于让主设备控制从设备的选择。

② 简单来说，当主设备需要跟某个从设备通信时，它会先把该从设备的SS线拉低(低电平有效还是高电平有效要根据元件的数据手册来看)，表示选中该从设备，然后主设备以时钟信号为基准，通过MOSI线发送数据，从设备则通过MISO线将响应数据发回主设备。通信结束后，主设备会将该从设备的SS线拉高，表示不再选中该从设备。
③ SPI通信的速度可以通过调整时钟频率来实现，而具体的通信协议和数据格式则需要根据具体的应用场景来确定。

5.SPI 数据传输的步骤

  • 主机(master)输出时钟信号

在这里插入图片描述

  • 主机(master)将对应从机(方式一)的片选信号切换到低电平,从而激活对应从机

在这里插入图片描述

  • 主机(master)通过MOSI线向从设备一次一位地向从机发送数据，从设备读取接收到的数据

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  • 如果从设备有相应的回应，从设备通过MISO线向主设备一次一位地向主机发送数据，主设备读取接收到的数据

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6.SPI菊花链

在SPI菊花链方式中，各个从机的MISO（Master In Slave Out）输入都连接到前一个从机的MOSI（Master Out Slave In）输出上，一直到链的最后一个从机(如下图所示)。主机通过片选信号来选择与其通讯的从机，只有被选中的从机的MISO输出的数据才会被主机的MOSI输入。

在这里插入图片描述
备注:图片来源于https://zhuanlan.zhihu.com/p/290620901

具体的连接图如下:

在这里插入图片描述

SPI菊花链方式通信的基本步骤：

  • 主机发送片选信号（CS）来选择要与之通讯的从机。

  • 在所选从机的MISO输入处放置数据，同时主机在MOSI输出口发送相应的数据。

  • 当所选从机选定数据并将其内容从MISO输出时，主机也会将其内容从它的MISO输入口中读取，完整的数据交换完成。

  • 当主机需要与另一个从机通讯时，它会将片选信号切换到下一个从机上，然后重复上述步骤。

  • 当通讯完成时，主机可以停止发送片选信号。

需要注意的是，在SPI菊花链方式中，所有从机的MISO都连接在同一条线上。在未选中的情况下，从机将忽略主机发出的数据。因此，在设计SPI系统时需要确保未选中的从机在通讯期间处于高阻状态，以避免因为信号冲突而产生干扰。

  • 上文说所的未选中

① SPI菊花链中，所有从机都与同一条MISO线相连，但是在不同时间内只会有一个从机处于被选中状态，其他从机都处于未选中状态。这是通过从机的片选信号（CS）来实现的。当主机选择与某个从机通信时，它会向该从机的CS引脚发送低电平信号，从而告诉该从机它正在被选中。其他未被选中的从机，它们未选中时CS引脚通常为高电平状态，并且未选中的从机的MISO输出需要设置为高阻状态。
② 因此，在SPI菊花链方式中，需要确保未被选中的从机在通讯期间处于高阻状态，以避免干扰。最好的做法是在主机与某个从机通信之前，先将所有其他未选中的从机的片选信号拉高，保证它们的MISO输出都处于高阻状态。这样可以减少通信期间出现干扰的可能性。

  • 什么是高阻态

① 高阻状态是指一个电路中的输入端或输出端等待输入或输出信号时，它处于一种电气状态，该状态被称作高阻态或三态，简称"Z"态。处于高阻态的信号线会表现出一种很高的电阻，阻止其他电路对其进行电流或电压的驱动，这样可以保证电路的安全和稳定性。
② 在数字电路中，高阻态被广泛应用于多路复用器、锁存器和开关等电路中。例如，在多路复用器中，当选择器控制线不代表选中任何一个输入端口时，所有的输入端口都处于高阻状态，以避免输入端口之间的干扰。在锁存器中，当时钟信号处于非稳定状态时，输入端口处于高阻态，以避免输出端脱离预期状态。在开关中，当输出端口未被激活时，它处于高阻状态，以防止从该端口流出意外的电流引起不必要的能量损耗。

在这里插入图片描述

7.通过SPI实现数据的读和写

通过SPI协议进行数据的读写操作和其他通信协议(UART,IIC)一样也会有相应的数据格式，下面给出是93C46存储器的SPI数据读写的格式(具体的读写的数据各式可以通过数据手册进行获取)。

在这里插入图片描述

和异步不同的是，数据的发送会受到时钟线的控制，如下，就是当SS(片选线)为高电平时,进行数据的读写操作，从机采样数据由极性和相位决定，极性决定时钟SCK空闲时是高电平还是低电平，相位决定在第一个跳边沿还是第二个跳边沿进行数据采集，下图就是极性为低电平，相位为第一个跳边沿(低->高)进行数据采集,采集MOSI上的数据，从机采集到了1 01 0000001 0000 1111的数据,再进行解析，数据解析的结果表示将进行写数据，向000 0001地址写入数据0000 1111。

在这里插入图片描述

① SPI数据采样是由SPI总线信号的时钟极性和相位来决定的。通常情况下，SPI信号是由主设备（如微控制器）发出的，从设备（如传感器或存储器）则根据时钟信号进行响应。使用SPI时，必须确保主设备与从设备使用相同的时钟极性和相位，以确保数据采样的正确性。
② SPI采样方式有四种：mode0、mode1、mode2和mode3。下面分别介绍各种采样方式的时钟极性和相位：

  1. mode0：时钟极性为0，时钟相位为0。时钟极性为0表示空闲时时钟处于低电平，采样时时钟沿上升。时钟相位为0表示数据采样在时钟的上升沿进行，数据产生在下降沿。mode0是最常用的采样方式。

  2. mode1：时钟极性为0，时钟相位为1。时钟相位为1表示数据采样在时钟的下降沿进行，数据产生在上升沿。

  3. mode2：时钟极性为1，时钟相位为0。时钟极性为1表示空闲时时钟处于高电平，采样时时钟沿下降。时钟相位为0表示数据采样在时钟的下降沿进行，数据产生在上升沿。

  4. mode3：时钟极性为1，时钟相位为1。时钟相位为1表示数据采样在时钟的上升沿进行，数据产生在下降沿。

上面的解析可能不容易进行理解，大致意思就是SPI由极性和相位决定，极性和相位有二种取值即0和1,这样一共就由4种采集方式（00 01 10 11）,其中当极性为0时表示时钟空闲状态为低电平(第一个跳变为上升沿),为1表示时钟空闲状态为高电平(第一个跳变为下降沿)；而相位为0表示在第一个跳边沿进行数据采集，为1时表示在第二个跳边沿进行数据采集。下图中的图1的CPOL表示极性;图2CPHA表示相位;这二张图片来源于https://www.cnblogs.com/gmpy/p/12461461.html。

(图1)
在这里插入图片描述

(图2)
在这里插入图片描述

具体的四种采样方式如下图所示:

在这里插入图片描述

至于数据的读取，主机先通过MOSI向从机发送读取的操作指令（1 10 地址），然后就可以通过MISO，从从机上面采集到对应的数据。

在这里插入图片描述
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备注上图的图片和表格来源于:https://www.bilibili.com/video/BV1F54y1M7e7/

二.STM32F103C8T6芯片SPI协议案例代码

以下是一个基于STM32F103C8T6单片机的SPI协议案例代码，仅供参考(来源于ChartGPT)：




#include "stm32f10x.h"

#define SPI_SCK_PIN  GPIO_Pin_5                //SPI时钟引脚
#define SPI_MISO_PIN GPIO_Pin_6                //SPI数据接收引脚
#define SPI_MOSI_PIN GPIO_Pin_7                //SPI数据发送引脚
#define SPI_CS_PIN   GPIO_Pin_4                //SPI片选引脚

void SPI_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);  //使能SPI1外设时钟

    //配置SPI1对应的GPIO口
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = SPI_SCK_PIN | SPI_MOSI_PIN | SPI_CS_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = SPI_MISO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    //配置SPI1参数
    SPI_InitStructure.SPI_Direction         = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
    SPI_InitStructure.SPI_Mode              = SPI_Mode_Master;
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize          = SPI_DataSize_8b;
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL              = SPI_CPOL_Low;
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA              = SPI_CPHA_1Edge;
    SPI_InitStructure.SPI_NSS               = SPI_NSS_Soft;
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8;
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit          = SPI_FirstBit_MSB;
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial     = 7;
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);  //使能SPI1外设
}

void SPI_SendByte(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t byte)
{
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) ;  //等待发送缓冲区为空
    SPI_I2S_SendData(SPIx, byte);                                     //将数据写入发送缓冲区
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) ; //等待接收缓冲区非空
    SPI_I2S_ReceiveData(SPIx);                                        //读取接收缓冲区数据，清除标志位
}

uint8_t SPI_ReceiveByte(SPI_TypeDef* SPIx)
{
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) ;  //等待发送缓冲区为空
    SPI_I2S_SendData(SPIx, 0xFF);                                     //发送一个空数据，触发SPI通信
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET) ; //等待接收缓冲区非空
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPIx);                                 //读取接收缓冲区数据
}

int main(void)
{
    uint8_t tx_data = 0x55;
    uint8_t rx_data;

    SPI_Init();  //初始化SPI1

    GPIO_ResetBits(GPIOA, SPI_CS_PIN);  //拉低SPI片选引脚，开始SPI通信
    SPI_SendByte(SPI1, tx_data);        //发送数据
    rx_data = SPI_ReceiveByte(SPI1);    //接收数据
    GPIO_SetBits(GPIOA, SPI_CS_PIN);    //拉高SPI片选引脚，结束SPI通信

    while (1)
    {
        //此处可添加其他代码
    }
}

以上代码实现了STM32F103C8T6单片机的SPI通信，并利用SPI1对应的GPIO口进行了初始化配置。在主函数中，通过拉低片选引脚、发送数据、接收数据、拉高片选引脚的方式实现了SPI通信。用户可以根据实际需求，在SPI_SendByte和SPI_ReceiveByte函数中修改数据的长度和数据位数等参数。

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