STM32速成笔记—SPI通信

🎀 文章作者：二土电子

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一、SPI简介

  SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。

  上面的介绍来自于百度，只是对SPI的一个非常简单的介绍，下面我们来详细地介绍一下SPI。和我们之前在STM32外设系列OLED篇介绍的IIC一样，SPI也是一种通信方式，但是它和IIC有所不同，在最后我们也会做对比。

  SPI通常需要以下四个引脚

• SCLK（SCK）
  时钟线
• CS（NSS、CE、SSEL）
  片选线
• MOSI
  Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入。
• MISO
  Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出。

  上面也说了，SPI是一种同步通信方式，所以它有时钟线，时钟由主设备提供。CS为片选线，片选线用来区分和哪个从机进行交互，通常由主机来控制。通常片选线被拉低，代表该从机被选中。当总线上有两个从机地片选线被拉低时会产生错误。MOSI和MISO用来做数据传输线，如果我们去掉其中一根，那么SPI就变成了一个单工通信，也是可以的，所以SPI即使只有三根线，也可以使用。

  下面我们简单看一下SPI的内部结构

  不知道大家有没有发现亮点，MOSI和MISO构成了一个环，根据SPI内部结构示意图，我们来分析一下SPI的数据传输过程。

  首先由主设备提供时钟信号，主设备将从设备的片选线拉低之后开始与从设备进行数据交互。主设备有一个移位寄存器。主设备发送数据时，主设备将要发送的数据写入移位寄存器，然后通过MOSI一位一位地发送给从机，数据可以是8位的，也可以是16位的，可以通过软件配置。发送时可以先发送高位，也可以先发送低位，但是需要保证主从机的设置是一致的。从机接收数据时，同时也会将自己地移位寄存器中的内容通过MISO发送给主机。也就是说，主机在给从机发送数据时，同时也会收到从机发送来地数据。很明显主机在发送数据时通过MISO接收到地从机发送来的数据是没有意义的，我们称之为虚拟数据，我们可以不进行接收。相应地，如果我们要从从机读取数据，我们需要发送相同字节的空数据，从机才会返回我们要读取的数据，这很有趣。

  通过上面的介绍我们可以知道，SPI并不存在严格意义上的写操作或者读操作，主机在给从机发送数据时，从机也同时会返回相同字节的虚拟数据，主机在读取从机数据时，需要向从机发送相同字节的虚拟数据（可以是0XFF）。

  简单总结一下SPI通信的特点

• 同步全双工。
• 支持一主多从。
• 只需要四根线，甚至三根线也可以实现单工通信。
• 数据传输速率快。

二、SPI的四种工作方式

  SPI有四种工作方式，通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）区分。如果时钟极性（CPOL）等于0，那么时钟线在空闲状态下为低电平；时钟极性（CPOL）等于1，那么时钟线在空闲状态下为高电平。如果时钟相位（CPHA）等于0时，数据在时钟线的第一个跳变沿开始被采样；时钟极性（CPHA）为1时，数据在时钟线的第二个跳变沿被采样。如此，我们就有了四种排列组合的方式。

三、STM32的SPI通信

3.1 SPI内部结构分析

  这里依旧是以大容量产品STM32F103ZET6为例，来介绍一下STM32的SPI通信。SPI1挂接在APB2总线，最高时钟频率为36MHz，SPI2和SPI3挂接在APB1总线，最高时钟频率为18MHz。

  STM32F1的SPI接口提供两个主要功能，支持SPI协议或者I2S协议，默认是SPI协议。STM32F1的SPI时钟最高可达到36MHz，支持DMA功能。下面我们分析一下STM32F1的SPI内部结构图

• 波特率发生器
  用来产生SCK时钟线的时钟信号，通过SPI_CR1中的BR[2:0]来配置分频因子。
• MOSI和MISO都连接到数据移位寄存器中，向外发送数据时，数据移位寄存器会以发送缓冲区为数据源，将数据一位一位地通过MOSI发送出去。当我们接收到数据时，移位寄存器会将MISO上的数据一位一位地存储到接收缓冲区。
• 一次接收或者发送的数据长度可以通过控制寄存器SPI_CR1的DFF来配置。
• 配置SPI_CR1的LSB FIRST来配置是高位先发送还是低位先发送。

  其他的图上的一些寄存器这里就不再做介绍了。

3.2 SPI引脚

  当然，SPI的引脚也支持重映射，中文参考手册中给出了SPI1和SPI3的重映射表，这里贴一下

  针对每一个GPIO在不同情况下配置成什么模式，中文参考手册也给出了详细介绍。

四、SPI通信程序设计

  这里针对程序设计并不给出实际应用实例，后续的STM32外设系列中会更新一个SPI外设——NRF24L01，会用到我们这里介绍的SPI。

4.1 SPI配置步骤

• 使能SPI以及对应的GPIO端口时钟并配置引脚的复用推挽输出；
• 初始化SPI结构体，包括数据帧长度、传输模式和数据传输顺序等；
• 使能SPI
• SPI数据传输
• 查看SPI传输状态

  以上函数在库函数里都有定义，我们可以直接拿来用。

4.2 SPI初始化程序设计

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：SPI2_Init
 *函数功能：SPI初始化
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
void SPI2_Init(void)
{
	// 结构体定义
 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

	// 使能时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE );
	RCC_APB1PeriphClockCmd(	RCC_APB1Periph_SPI2,ENABLE );
 
	// 初始化GPIO
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);

	// 配置SPI结构体
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;   // 设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;   // 设置SPI工作模式:设置为主SPI
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;   // 设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;   //串行同步时钟的空闲状态为高电平
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;   // NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;   // 定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;   // 指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;   // CRC值计算的多项式（大于1即可）
	SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);   // 根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
 
	SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);   // 使能SPI外设
	
	SPI2_ReadWriteByte(0xff);   // 启动传输		 
}
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4.3 SPI传输速度设置函数

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：SPI2_SetSpeed
 *函数功能：设置SPI2传输速度
 *输入参数：SPI_BaudRatePrescaler：SPI_BaudRatePrescaler_2/8/16/256分频
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
void SPI2_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{
	assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));
	SPI2 -> CR1 &= 0XFFC7;
	SPI2 -> CR1 |= SPI_BaudRatePrescaler;   // 设置SPI2传输速度 
	SPI_Cmd(SPI2,ENABLE); 
}
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4.4 SPI读写数据函数

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：SPI2_ReadWriteByte
 *函数功能：SPI2读写数据
 *输入参数：TxData：要发送的数据（写入的字节）
 *返回值：读取到的字节
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData)
{		
	u8 retry = 0;				 	
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)   // 检查指定的SPI标志位设置与否:发送缓存空标志位
	{
		retry ++;
		if(retry > 200)
		{
			return 0;
		}
	}			  
	SPI_I2S_SendData(SPI2,TxData);   // 通过外设SPIx发送一个数据
	retry = 0;

	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)//检查指定的SPI标志位设置与否:接受缓存非空标志位
	{
		retry ++;
		if(retry > 200)
		{
			return 0;
		}
	}	  						    
	return SPI_I2S_ReceiveData(SPI2);   // 返回通过SPIx最近接收的数据					    
}
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五、SPI与IIC对比

• SPI是一种高速同步全双工串行总线，IIC使一种低速同步半双工串行总线；
  全双工是指收发可以同步进行，半双工指的是同一时间只能收或者发。
• SPI进行全双工通信时需要四根线，分别是SCK、CS、MOSI和MISO。IIC需要两根线，分别是SCK和SDA；
• SPI通过片选线来选定从机，IIC利用寻址的方式来选定从机；
• IIC有应答机制，SPI没有应答机制；
• IIC的时钟极性和时钟相位是固定的，SPI的时钟相位和时钟极性可调；
• IIC支持多主机，SPI只能有一个主设备；