STM32 SPI基础概念解析

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前言

本篇文章来给大家讲解一个非常重要的通信协议SPI，SPI在MCU和外设之间的通信用的是非常多的，这篇文章将带大家先来学习SPI的一些概念。

一、SPI通信协议概述

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行数据通信协议，通常用于在数字系统之间传输数据。它是一种非常常见的通信协议，广泛应用于微控制器、传感器、存储器、外围设备等各种数字电路之间的通信。

以下是SPI通信协议的基本概述：

通信方式：

SPI 是一种全双工通信协议，意味着它允许同时在一条线上进行双向数据传输。通常由一个主设备（Master）和一个或多个从设备（Slave）组成。
主设备负责发起通信，生成时钟信号，并控制从设备的选择。
从设备在接收到主设备的请求后，通过从设备选择信号（Slave Select）响应通信，并进行数据传输。

通信线：

SPI使用四根线进行通信：

SCLK（Serial Clock）：时钟线，由主设备产生，用于同步数据传输。
MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入，用于主设备向从设备发送数据。
MISO（Master In Slave Out）：从设备输出，主设备输入，用于从设备向主设备发送数据。
SS（Slave Select）：从设备选择线，由主设备控制，用于选择要进行通信的从设备。

传输方式：

SPI采用全双工传输，意味着数据可以在主设备和从设备之间同时双向传输。
通信数据是通过数据线（MOSI和MISO）进行传输的，并由时钟信号（SCLK）进行同步。
通常采用一种主设备定时从设备数据接收的方式进行通信，时钟信号的极性和相位可以在通信协议中进行配置。

数据传输格式：

SPI通信中的数据传输可以是不同长度的字节，通常是8位，但有时也支持其他位数，如16位或32位。

数据传输可以是带有附加控制位的帧，也可以是简单的数据字节SPI通信的协议并没有固定的数据帧格式，而是根据具体的应用需求进行定义和配置。

工作模式：

SPI有四种工作模式，由时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）来定义：
Mode 0: CPOL = 0, CPHA = 0
Mode 1: CPOL = 0, CPHA = 1
Mode 2: CPOL = 1, CPHA = 0
Mode 3: CPOL = 1, CPHA = 1
工作模式决定了时钟信号在何时激活以及数据采样的时机，以确保正确的数据传输。

二、SPI硬件框图和软件层次

在芯片的内部有SPI控制器可以用来控制外部的Flash等设备。

软件层次：

1.应用程序使用Flash的驱动程序

2.Flash驱动程序需要根据模块的数据手册来编写

3.操作具体模块寄存器需要通过STM32 的SPI控制器来操作

三、SPI通信时序

SPI通信主要根据CS，MOSI，MISO，SCK这四个引脚来控制。

首先需要拉低片选引脚选择对应的从设备进行通信，在通信完成后将片选引脚拉高。

SCK引脚来提供时钟信号，时钟信号主要由主机来发出控制。

MOSI和MISO用于数据的接收和发送，主机发送多少个字节数据从机就能够接收多少个字节的数据。

时钟极性决定了SCK时钟线空闲的时候是高电平还是低电平，当CPOL = 0时 SCK在空闲状态是低电平，CPOL = 1时 SCK在空闲状态是高电平。

CPHA时钟相位决定了在奇数边沿进行采样还是在偶数边沿进行采样。

当CPHA = 0的时候在奇数边沿进行数据的采样：

当CPHA = 1的时候在偶数边沿进行数据的采样：

四、SPI控制器

下面是SPI控制器的框图：

通过SPI控制寄存器中的SPI_CR1中的CPOL和CPHA可以来控制SPI的工作模式。

波特率控制：

SPI控制器数据发送流程：

下面是SPI控制器发送数据的基本流程：

发送缓冲区（Transmit Buffer）：首先，主设备将要发送的数据加载到发送缓冲区中。发送缓冲区是一个存储器单元，用于暂时存放将要传输的数据。

移位寄存器（Shift Register）：SPI控制器内部有一个移位寄存器，用于将数据从发送缓冲区移至串行输出线（MOSI）。在传输过程中，数据从发送缓冲区被移入移位寄存器，然后以串行方式输出到MOSI线上。

MOSI（Master Out Slave In）：MOSI线是SPI总线上的主设备输出从设备输入线。主设备通过MOSI线将数据发送给从设备。移位寄存器中的数据被推送到MOSI线上，以便发送给从设备。

接收缓冲区（Receive Buffer）：在发送数据的同时，SPI控制器也可以接收来自从设备的数据。接收缓冲区是一个存储器单元，用于暂时存放从MISO线接收到的数据。

MISO（Master In Slave Out）：MISO线是SPI总线上的主设备输入从设备输出线。当主设备发送数据时，从设备可以同时将数据发送回主设备。主设备通过MISO线接收从设备发送的数据。

写入8位数据就会读取到8位数据：SPI通常是一个全双工（Full-Duplex）通信协议，意味着在发送数据的同时也可以接收数据。当主设备向从设备发送8位数据时，在同一时钟周期内，主设备也可以从从设备接收8位数据。因此，发送和接收是同步进行的，每次发送数据都会同时接收到相应数量的数据。

综上所述，SPI控制器发送数据的流程涉及将数据从发送缓冲区移入移位寄存器，通过MOSI线发送给从设备，并在接收缓冲区接收来自从设备的数据。同时，SPI是一个全双工通信协议，每次发送数据都会同时接收到相应数量的数据。

总结

本篇文章主要是讲解了SPI的基础概念和基本原理框图，下一篇文章我们将给大家讲解STM32Cubemx配置SPI通信协议，并且使用SPI来读写Flash。