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SPI通讯硬件接口、原理、时序、程序详解

通讯协议3-SPI通讯 

 

注意：本文章需要配合无际单片机编程-硬件基础2.0教程视频学习。

注意：本文章需要配合无际单片机编程-硬件基础2.0教程视频学习。

 

一、SPI的介绍：

SPI中文名称是：串行外设接口（Serial Peripheral Interface）。

SPI一般用于芯片之间的数据交互，在单片机开发中比较常见。

是一种高速、全双工、同步通信总线。SPI有主、从两种模式，通常由一个主模块和一个或多个从模块组成（SPI不支持多主机）之间的通讯。

 

二、SPI硬件连接接口

SPI硬件连接比较简单，需要4根线（通讯设备需要共地）：

  • 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；
  • SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备产生；
  • CS/SS（Chip Select/Slave Select）（片选）：从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。

 

问题：MOSI 和MOSI连接？还是MOSI和MISO连接？

在产品开发中，我们经常会碰到这个疑问，MOSI和MISO连接，还是和MOSI连接呢？和串口工作的原理类似，理论上是MOSI 和MISO 连接，MISO和MOSI连接的。 

如果是两个单片机通过SPI通讯，需要按照：MOSI-MISO、MISO-MOSI连接。  但如果是单片机和只能做从机的设备连接，是MOSI-MOSI、MISO-MOSI 连接。因为从机的丝印标志的是需要连接主机的端口。 其从机内部MISO脚的功能是MOSI，或MOSI的功能是MISO;

 

三、通讯协议:

SPI是一种全双工、高速的、同步的通信总线. SPI的通讯相比UART、IIC更加简单，没有起始位、结束位；数据按照时钟直接发送和接收；

1.  SPI通讯时序图举例：

①举例1： 

主机发送数据(0x65)给从机:   

从机发送数据(0xA9)给主机： 

时序图说明： SPI和IIC、Uart 相比，通讯更简单，没有起始位，停止位。

关于的时序图，有几个问题：

  1. 一个时钟周期怎么确定？
  2. 发送/接收数据 固定高字节在前面？
  3. 数据在哪里更改？哪里采集？

 

2.数据通讯原理

①时钟速率

SPI总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

②数据格式

SPI发送数据在对应的规格书中都有规定的，如下图，支持的是MSB（Most Significant Bit) 最高有效位在前，当然也可以配置成LSB(Least Significant Bit)最低有效位在前；

SPI程序开发，这个参数也是可以配置的:

③时钟极性(CPOL或CKP)

时钟极性，一般用CPOL或CKP 来表示，其作用是用来规定，SPI空闲状态下CLK的电平的：

  • CPOL = 0:  CLK空闲状态是 低电平；
  • CPOL = 1:  CLK空闲状态是 高电平；

④时钟相位

时钟相位，一般用CKE或CPHA来表示；其作用是用来规定，采集数据是在那个时钟信号的位置；

  • CPHA = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
  • CPHA = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样。

 

⑤SPI的四种通讯模式：

按照时钟极性和时钟相位不同的组合，SPI共有4种通讯模式，具体如下：

  • 模式0： CPOL = 0    CPHA = 0

  • 模式1： CPOL = 0    CPHA =1

  • 模式2： CPOL = 1    CPHA = 0

  • 模式3： CPOL = 1     CPHA =1

⑥SPI的通讯内部工作结构（了解）

这部分内容，建议大家有个了解即可，不需要花太多时间。

SPI通讯，主设备和从设备接口内部，都有一个串行移位寄存器，主设备通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。 所以在主机发送数据的同时，也接收到了新的数据。

注意：SPI 有主模式和从模式之分，但没有读和写的区别，写操作和读操作是同步完成的。

如果SPI写操作时，主机需要忽略接收到的数据；同理，SPI主机读取从机数据的时候，就必须发送一个空字节来引发从机数据的传输。即：发一个数据必然会收到一个数据；要收一个数据必须也要先发一个数据。

 

四、  单片机SPI参数程序代码配置:

1.单片机内部硬件SPI接口参数配置

这里以STM32单片机为例：

①硬件连接图

②SPI参数配置-代码  

从机25Q64连接的是STM32单片机的硬件SPI2 接口。

单片机内部集成的SPI，可以自动的发送和接收数据，在程序开发的时候，我们只需要按照单片机官方的要求配置相关参数即可，如下：

/* SPI2 configuration */ 
// #define SPI_Direction_2Lines_FullDuplex ((uint16_t)0x0000)
// #define SPI_Direction_2Lines_RxOnly     ((uint16_t)0x0400)
// #define SPI_Direction_1Line_Rx          ((uint16_t)0x8000)
// #define SPI_Direction_1Line_Tx          ((uint16_t)0xC000)
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //SPI1设置为两线全双工
// #define SPI_Mode_Master                 ((uint16_t)0x0104)   //主机
//  #define SPI_Mode_Slave                  ((uint16_t)0x0000)   //从机
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                      //设置SPI1为主模式
// #define SPI_DataSize_16b                ((uint16_t)0x0800)
// #define SPI_DataSize_8b                 ((uint16_t)0x0000)
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                  //SPI发送接收8位帧结构
// #define SPI_CPOL_Low                    ((uint16_t)0x0000)
//  #define SPI_CPOL_High                   ((uint16_t)0x0002)
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;                      //串行时钟在不操作时，时钟为高电平
// #define SPI_CPHA_1Edge                  ((uint16_t)0x0000)
// #define SPI_CPHA_2Edge                  ((uint16_t)0x0001)
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;                    //第二个时钟沿开始采样数据
// #define SPI_NSS_Soft                    ((uint16_t)0x0200)
//  #define SPI_NSS_Hard                    ((uint16_t)0x0000)
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;              //NSS信号由软件（使用SSI位）管理

// #define SPI_BaudRatePrescaler_2         ((uint16_t)0x0000)
// #define SPI_BaudRatePrescaler_4         ((uint16_t)0x0008)
// #define SPI_BaudRatePrescaler_8         ((uint16_t)0x0010)
// #define SPI_BaudRatePrescaler_16        ((uint16_t)0x0018)
// #define SPI_BaudRatePrescaler_32        ((uint16_t)0x0020)
// #define SPI_BaudRatePrescaler_64        ((uint16_t)0x0028)
// #define SPI_BaudRatePrescaler_128       ((uint16_t)0x0030)
// #define SPI_BaudRatePrescaler_256       ((uint16_t)0x0038)
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8; //定义波特率预分频的值:波特率预分频值为8
//#define SPI_FirstBit_MSB                ((uint16_t)0x0000)
//#define SPI_FirstBit_LSB                ((uint16_t)0x0080)
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;          //数据传输从MSB位开始

这里只给大家提供了SPI参数的配置，关于相关GPIO口的配置和读写在这里就给大家不讲解了，大家后续做实际项目的时候再进一步去学习和理解。本节课的重点是要理解SPI通讯协议即可。

 

2.  模拟SPI通讯参数配置

 

① 硬件连接

主机: STM8L103

从机: SX1278

通过规格书知悉：数据高位在前  CPOL = 0  CPHA = 0; 

 

②代码

//输入  MISO
#define MISO_PORT GPIOB
#define MISO_PIN    GPIO_Pin_7
#define MISO_DATABIT GPIO_ReadInputDataBit(MISO_PORT,MISO_PIN)

//输出   MOSI
#define MOSI_PORT GPIOB
#define MOSI_PIN GPIO_Pin_6
#define MOSI_HIGH GPIO_SetBits(MOSI_PORT,MOSI_PIN)
#define MOSI_LOW GPIO_ResetBits(MOSI_PORT,MOSI_PIN)

#define SCK_PORT GPIOB
#define SCK_PIN GPIO_Pin_5
#define SCK_HIGH GPIO_SetBits(SCK_PORT,SCK_PIN)
#define SCK_LOW GPIO_ResetBits(SCK_PORT,SCK_PIN)

//CS
#define CS_PORT GPIOB
#define CS_PIN GPIO_Pin_4
#define CS_HIGH GPIO_SetBits(CS_PORT,CS_PIN)
#define CS_LOW GPIO_ResetBits(CS_PORT,CS_PIN)

//输入
#define RF_IRQ_DIO0_PORT GPIOB
#define RF_IRQ_DIO0_PIN GPIO_Pin_3
#define RF_IRQ_DIO0_DATABIT GPIO_ReadInputDataBit(RF_IRQ_DIO0_PORT,RF_IRQ_DIO0_PIN)

///通讯GPIO口初始化
static void Sx1278_GpioInt()
{
        //***** SPI_SCK        
         GPIO_Init(SCK_PORT,SCK_PIN , GPIO_Mode_Out_PP_Low_Slow); 
        //*****SPI_MISO       
        GPIO_Init(MISO_PORT,MISO_PIN , GPIO_Mode_In_PU_No_IT);
       //*****SPI_MOSI     
        GPIO_Init(MOSI_PORT,MOSI_PIN , GPIO_Mode_Out_PP_Low_Slow);

         CS_HIGH;
        RF_RST_HIGH;
}

/**********************************************************
**Name:     SPI_SentDate
**Function: SPI Write one byte
**Input:    WrPara
**Output:   none
**note:     use for burst mode
**********************************************************/
void SPI_SentDate(u8 WrPara)
{//CPOL = 0  CPHA = 0;
       u8 bitcnt;  
       CS_LOW;
       SCK_LOW;
        for(bitcnt=8; bitcnt!=0; bitcnt–)
       {
              SCK_LOW;
              if(WrPara&0x80)
                {///高位在前   1
                       MOSI_HIGH;
                }
                else
                {
                    MOSI_LOW;
                }
                asm(“nop”);
                asm(“nop”);
                SCK_HIGH;
                 asm(“nop”);
                WrPara <<= 1;
        }
       SCK_LOW;
       MOSI_HIGH;
}

/**********************************************************
**Name:     SPI_ReadByte
**Function: SPI Read one byte
**Input:    None
**Output:   result byte
**Note:     use for burst mode
**********************************************************/
u8 SPI_ReadByte(void)
{
    u8 RdPara = 0;
    u8 bitcnt;
    CS_LOW;                  
    MOSI_HIGH;
    for(bitcnt=8; bitcnt!=0; bitcnt–)
    {///高位在前
           SCK_LOW;
           asm(“nop”);
           asm(“nop”);
            RdPara <<= 1;
           SCK_HIGH;
           if(MISO_DATABIT)
           {
                   RdPara |= 0x01;
            }
           else
           {
              RdPara |= 0x00;
           }
             asm(“nop”);
           asm(“nop”);
    }
    SCK_LOW;
    return(RdPara);
}

 

五、SPI优缺点

1.优点

  • 无起始位和停止位、校验位，数据可以连续高效传输；
  • 数据传输速率比串口、IIC 速率更高  
  • 全双工，支持同时发送和接收数据；
  • 数据位长度没有限制，比较常用的是8bit、16bit

 

2.缺点

  • 通讯线比串口、IIC更多，需要四根信号线   CS   CLK  MOSI  MISO
  • 没有校验位/应答位，无法确认是否已成功接收数据 

<结束>

关于SPI 相关的知识点，大家可以看以下两篇文章。

单片机spi通信接口什么意思,spi接口干什么用的？ (qq.com)

spi协议时序图和四种模式实际应用详解 (qq.com)

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