代码收藏家技术教程 2023-06-19

SPI总线协议原理详解及配置方法

单片机应用中，最常用的通信协议主要有三个，即USART、IIC和SPI。关于前两个的介绍在之前文章学习过，这次介绍一下第三个通信协议——SPI。

SPI(Serial Peripheral Interface Bus)由摩托罗拉公司开发，它是高速全双工同步串行通信协议。SPI 支持一主多从，这点类似于 IIC，但是又与 IIC 选通从设备的方式不同， IIC 是通过发送从机地址来选通从机，而 SPI 则是通过拉低连接到从机的 NSS 引脚对从机进行选通的。SPI 一般应用由四个引脚组成（一主一从）：

⚫ SCLK（Serial Clock）：串行时钟，由主机发出

⚫ MOSI（Master Output,Slave Input）：主机输出从机输入信号，由主机发出

⚫ MISO（Master Input,Slave Output）：主机输入从机输出信号，由从机发出

⚫ NSS（Slave Selected）：选择信号，由主机发出，一般是低电位有效

SPI与IIC主要的区别：

SPI是高速（高达30Mbps）远距离全双工同步串行同行的，IIC是低速（最大4Mbps）近距离半双工同步串行通行的，
■相同点
1、均采用串行，同步的方式
2、均采用TTL电平，传输距离和应用场景类似
3、均采用主从方式工作
■不同点
1、IIC为半双工，SPI为全双工（MOSI,MISO同时收发）
2、IIC有应答机制，SP1无应答机制
3、IC通过向总线广播从机地址来寻址，SP1通过向对应从机发送使能信号来寻址

4、IIC总线读写时序比较固定统一，设备驱动编写方便；而SPI则需要根据不同的设备的datasheet来实现读写，相对要复杂一些。

SPI特点：

1、SPI的寻址方式是主设备向从设备的片选线上发送使能信号，表示选中该从设备，注意如果在单片机的接口当中只有一个NSS接口，因此是只能够连接一个外部设备的，如果我们要连接多个外设就需要通过利用单片机中的其它IO口来模拟NSS接口。因此在接多个设备的情况下就要占用多个IO口了，这也是SPI通信的一个缺点，这一点就不如IIC的寻址方式。
2、SPI总线在进行数据传输时，先发高位，后发低位（这一点跟USART有区别），而且发完一个字节不用应答。

3、时钟线在上升沿或者下降沿是发送数据，然后在下降沿或者上升沿接收数据

SPI主从连接示意图

图中可以看出虽然 SPI 也是串行通信协议，但是主机所占用的引脚依然比 IIC 和 UART 的多，而且主机引脚数量会随着从机数量的增加而增加（增加对从机的选通部分）。

主机在通过 MOSI 数据线发送数据的同时，从机也会通过 MISO 将数据传输给主机（收发同时进行），它们以虚拟环形拓扑连接。数据通常先移出最高位，在时钟边沿，主机和从机均移出一位，然后在传输线上输出给对方（改变数据）。在下一个时钟沿，主从设备的接收器都从传输线接受该位，并设置为移位寄存器的新的最低有效位（采样数据）。在完成这样一个移出-移入的周期后，主机和从机就交换了寄存器中的一位，传输可能会持续任意数量的时钟周期。传输完成后，主设备会停止时钟信号，并拉高 NSS 选通线。下图是 SPI 通信时序：

SPI通信时序图

SPI 是一种非常灵活的通信协议，我们可以配置它的时钟极性、时钟相位、一次传输的数据位数等。我们依次来看一下：

⚫ 时钟极性(CPOL) 时钟极性用于设置时钟在空闲时的电平状态，CPOL 为 1 则时钟空闲时为高电平，CPOL 为 0,时钟空闲时为低电平，如下图。这就直接导致了第一个信号沿是下降沿还是上升沿，通常 CPOL 和时钟相位(CPHA)配合使用。

⚫ 时钟相位(CPHA) 时钟相位用于设置在第几个时钟沿发生时对数据线进行采样，当 CPHA=1 时表示在第二个时钟沿对数据线进行采样，当 CPHA 为 0 时，在第一个时钟沿对数据进行采样，如下图：

另外在图中可以看到，CPOL 和 CPHA 的组合能够产生 4 中不同的工作模式，以适应不同的使用场景。具体的模式由具体的芯片手册参考设置，一般建议 CPOL=CPHA=0，CPOL=CPHA=1。

SPI 内部结构框图：

STM32 的 SPI 外设包含两种通信协议，第一个是 SPI 协议，第二个是 I2S 协议，他们通过 SPI_I2S 配置寄存器(SPI_I2S_CFGR)的 11 位 I2SMOD 进行选择。SPI 接口默认工作在 SPI 方式，可以通过软件把功能从 SPI 模式切换到 I2S 模式。在小容量和中容量产品上，不支持 I2S 音频协议。因为 STM32 将 SPI 和 I2S 合并到了一起，因此我们在使用 SPI 时要先设置该寄存器的位 11 来指定使用 SPI 功能。但是这些配置已经在固件库中定义好了，我们直接利用固件库中对应SPI函数库或者I2S函数库即可。

SPI 固件库：

ST 固件库主要使用 SPI_TypeDef 这个结构体类型来管理 SPI 外设。通过配置这个结构体来实现对 SPI 外设的配置，并调用固件库提供接口函数中的初始化函数，实现将配置参数写入 STM32 寄存器中。SPI 外设的接口函数如下所示：

配置 SPI 步骤如下：

1. 初始化 SCK、MOSI 引脚为复用推挽输出，初始化 MISO 引脚为浮空输入；

2. 初始化 NSS 引脚为推挽输出并默认拉高（使用软件 NSS 情况下）；

3. 配置 SPI 初始化结构体，内容包括：主/从模式，高/低位在前，数据帧位数（8 位/16 位），配置时钟极性（CPOL）、时钟相位（CPHA）、软件 NSS、时钟分频值等。

SPI初始化配置：

void SPI2_Init(void){ //SPI2初始化
	SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2,ENABLE);//使能SPI_2时钟

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI2_MISO;  //SPI2的MISO（PB14）为浮空输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_Init(SPI2PORT,&GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI2_MOSI | SPI2_SCK;	//SPI2的MOSI（PB15）和SCLK（PB13）为复用推免输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_Init(SPI2PORT,&GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI2_NSS;	 //SPI2的NSS（PB12）为推免输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_Init(SPI2PORT,&GPIO_InitStructure);

	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//双线输入输出全双工模式
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;//设置为SPI的主机模式（SCK主动产生时钟）
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;//SPI数据大小：发送8位帧数据结构；8位还是16位需要根据需要根据具体的芯片手册参考来确定
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//空闲状态时SCK的状态，High为高电平，Low为低电平
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;//时钟相位，1表示在SCK的奇数沿边采样，2表示偶数沿边采样
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS由软件控件片选，只是针对点对点通信的情况下，如果是连接了多个设备，就要使用硬件模式，在通信之前手动选择哪一个设备通信。
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;//时钟的预分频值（0~256），保证总线的稳定性，如果总线稳定性不好就可以相对应加大预分频值
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //MSB高位在前
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC较验和的多项式，例如CH376芯片没有校验功能
	SPI_Init(SPI2,&SPI_InitStructure); //初始化SPI2的配置项
	SPI_Cmd(SPI2,ENABLE); //使能SPI2  
}

接收发送函数：

//SPI2数据发+收程序（主要用于发送）
u8 SPI2_SendByte(u8 Byte){ //通过SPI2口发送1个数据，同时接收1个数据
	while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); //如果发送寄存器数据没有发送完，循环等待
	SPI_I2S_SendData(SPI2,Byte);  //往发送寄存器写入要发送的数据
	while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); //如果接受寄存器没有收到数据，循环
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);
}