STM32 SPI详解

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SPI简介

SPI 规定了两个SPI 设备之间通信必须由主设备(Master) 来控制次设备(Slave). 一个Master 设备可以通过提供Clock 以及对Slave 设备进行片选(Slave Select) 来控制多个Slave 设备,SPI 协议还规定Slave 设备的Clock 由Master 设备通过SCK 管脚提供给Slave 设备,Slave 设备本身不能产生或控制Clock, 没有Clock 则Slave 设备不能正常工作。

02

SPI特点

2.1、SPI控制方式

采用主-从模式(Master-Slave)的控制方式。

SPI 规定了两个SPI 设备之间通信必须由主设备(Master) 来控制次设备(Slave). 一个Master 设备可以通过提供Clock 以及对Slave 设备进行片选(Slave Select) 来控制多个Slave 设备,SPI 协议还规定Slave 设备的Clock 由Master 设备通过SCK 管脚提供给Slave 设备,Slave 设备本身不能产生或控制Clock, 没有Clock 则Slave 设备不能正常工作。

2.2、SPI传输方式

采用同步方式(Synchronous)传输数据。

Master 设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲(ClockPulse), 时钟脉冲组成了时钟信号(ClockSignal) , 时钟信号通过时钟极性(CPOL) 和时钟相位 (CPHA) 控制着两个SPI 设备间何时数据交换以及何时对接收到的数据进行采样,来保证数据在两个设备之间是同步传输的。

2.3、SPI数据交换

SPI数据交换框图

上图只是对SPI 设备间通信的一个简单的描述,下面就来解释一下图中所示的几个组件(Module):

SSPBUF,Synchronous Serial Port Buffer, 泛指SPI 设备里面的内部缓冲区,一般在物理上是以FIFO 的形式,保存传输过程中的临时数据;

SSPSR, Synchronous Serial Port Register, 泛指SPI 设备里面的移位寄存器(ShiftRegitser), 它的作用是根据设置好的数据位宽(bit-width)把数据移入或者移出SSPBUF;

Controller, 泛指SPI 设备里面的控制寄存器,可以通过配置它们来设置SPI 总线的传输模式。

SPI 设备间的数据传输之所以又被称为数据交换,是因为SPI 协议规定一个SPI 设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个"发送者(Transmitter)"或者"接收者(Receiver)".在每个Clock 周期内,SPI 设备都会发送并接收一个bit 大小的数据,相当于该设备有一个bit 大小的数据被交换了.一个Slave 设备要想能够接收到Master 发过来的控制信号,必须在此之前能够被Master 设备进行访问(Access). 所以,Master 设备必须首先通过SS/CS pin 对Slave 设备进行片选,把想要访问的Slave 设备选上.在数据传输的过程中,每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样.如果之前接收到的数据没有被读取,那么这些已经接收完成的数据将有可能会被丢弃,导致SPI 物理模块最终失效.因此,在程序中一般都会在SPI 传输完数据后,去读取SPI 设备里的数据,即使这些数据(DummyData)在我们的程序里是无用的。

上面的过程转为动画

初始状态

主机读取一个bit过程

当读取7次后，也就是读取7位后

总结：

没有读和写的说法，因为实质上每次SPI是主从设备在交换数据。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。

2.4、SPI传输模式

上升沿、下降沿、前沿、后沿触发。当然也有MSB和LSB传输方式.

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工作机制

3.1、相关缩写

SPI的极性Polarity和相位Phase，最常见的写法是CPOL和CPHA，不过也有一些其他写法，简单总结如下：

(1) CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （时钟）极性

(2) CKPHA (Clock Phase) = CPHA = PHA = Phase = （时钟）相位

(3) SCK=SCLK=SPI的时钟

(4) Edge=边沿，即时钟电平变化的时刻，即上升沿(risingedge)或者下降沿(fallingedge)

对于一个时钟周期内，有两个edge，分别称为：

Leading edge=前一个边沿=第一个边沿，对于开始电压是1，那么就是1变成0的时候，对于开始电压是0，那么就是0变成1的时候；

Trailingedge=后一个边沿=第二个边沿，对于开始电压是1，那么就是0变成1的时候（即在第一次1变成0之后，才可能有后面的0变成1），对于开始电压是0，那么就是1变成0的时候；

3.2、CPOL极性

先说什么是SCLK时钟的空闲时刻，其就是当SCLK在数发送8个bit比特数据之前和之后的状态，于此对应的，SCLK在发送数据的时候，就是正常的工作的时候，有效active的时刻了。

先说英文，其精简解释为：ClockPolarity = IDLE state of SCK。

再用中文详解：

SPI的CPOL，表示当SCLK空闲idle的时候，其电平的值是低电平0还是高电平1：

CPOL=0，时钟空闲idle时候的电平是低电平，所以当SCLK有效的时候，就是高电平，就是所谓的active-high；

CPOL=1，时钟空闲idle时候的电平是高电平，所以当SCLK有效的时候，就是低电平，就是所谓的active-low；

3.3、CPHA相位

首先说明一点，capturestrobe = latch = read =sample，都是表示数据采样，数据有效的时刻。相位，对应着数据采样是在第几个边沿（edge），是第一个边沿还是第二个边沿，0对应着第一个边沿，1对应着第二个边沿。

对于：

CPHA=0，表示第一个边沿：

对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

CPHA=1，表示第二个边沿：

对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第二个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

3.4、极性和相位图示

图例1

图例2

3.5、软件设置极性和相位

SPI分主设备和从设备，两者通过SPI协议通讯。

而设置SPI的模式，是从设备的模式，决定了主设备的模式。

所以要先去搞懂从设备的SPI是何种模式，然后再将主设备的SPI的模式，设置和从设备相同的模式，即可正常通讯。

对于从设备的SPI是什么模式，有两种：

1.固定的，有SPI从设备硬件决定的

SPI从设备，具体是什么模式，相关的datasheet中会有描述，需要自己去datasheet中找到相关的描述，即：

关于SPI从设备，在空闲的时候，是高电平还是低电平，即决定了CPOL是0还是1；

然后再找到关于设备是在上升沿还是下降沿去采样数据，这样就是，在定了CPOL的值的前提下，对应着可以推算出CPHA是0还是1了。

2.可配置的，由软件自己设定

从设备也是一个SPI控制器，4种模式都支持，此时只要自己设置为某种模式即可。

然后知道了从设备的模式后，再去将SPI主设备的模式，设置为和从设备模式一样，即可。

对于如何配置SPI的CPOL和CPHA的话，不多细说，多数都是直接去写对应的SPI控制器中对应寄存器中的CPOL和CPHA那两位，写0或写1即可。

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STM32的SPI控制模块

SPI是英语SerialPeripheralinterface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，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，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，STM32也有SPI接口。

SPI接口一般使用4条线通信：

1

MISO

主设备数据输入，从设备数据输出。

2

MOSI

主设备数据输出，从设备数据输入。

2

SCLK

时钟信号，由主设备产生

3

CS 

从设备片选信号，由主设备控制。

SPI主要特点有：可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。

STM32的SPI功能很强大，SPI时钟最多可以到18Mhz，支持DMA，可以配置为SPI协议或者I2S协议

关于SPI，从数据手册查到

STM32F207VCT6共有3个SPI。

从下表查出每个SPI对应的管脚

STM32标准外设库SPI_InitTypeDef的定义

typedef struct
{
    uint16_t SPI_Direction; // 设置SPI 的通信方式，可以选择为半双工，全双工，以及串行发和串行收方式
   uint16_t SPI_Mode; // 设置SPI 的主从模式
   uint16_t SPI_DataSize; // 为8 位还是16 位帧格式选择项
   uint16_t SPI_CPOL; // 设置时钟极性
   uint16_t SPI_CPHA; // 设置时钟相位
   uint16_t SPI_NSS;   //设置NSS 信号由硬件（NSS管脚）还是软件控制
   uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;  //设置SPI 波特率预分频值
   uint16_t SPI_FirstBit;    //设置数据传输顺序是MSB 位在前还是LSB 位在前
   uint16_t SPI_CRCPolynomial; //设置CRC 校验多项式，提高通信可靠性，大于1 即可
}SPI_InitTypeDef;

参数

SPI_Direction

用来设置SPI的通信方式，可以选择为半双工，全双工，以及串行发和串行收方式，这里我们选择全双工模式SPI_Direction_2Lines_FullDuplex。

SPI_Mode

来设置SPI的主从模式，这里我们设置为主机模式 SPI_Mode_Master，当然有需要你也可以选择为从机模式 SPI_Mode_Slave。

SPI_CPOL

用来设置时钟极性，我们设置串行同步时钟的空闲状态为高电平所以我们选择SPI_CPOL_High。

SPI_CPHA

来设置时钟相位，也就是选择在串行同步时钟的第几个跳变沿（上升或下降）数据被采样，可以为第一个或者第二个条边沿采集，这里我们选择第二个跳变沿，所以选择 SPI_CPHA_2Edge

SPI_NSS

设置NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件控制，这里我们通过软件控制NSS关键，而不是硬件自动控制，所以选择 SPI_NSS_Soft。

SPI_BaudRatePrescaler

很关键，就是设置SPI波特率预分频值也就是决定 SPI 的时钟的参数，从不分频道256分频8个可选值，初始化的时候我们选择256分频值SPI_BaudRatePrescaler_256,传输速度为36M/256=140.625KHz。

SPI_FirstBit

设置数据传输顺序是MSB位在前还是LSB位在前，这里我们选择SPI_FirstBit_MSB高位在前。

SPI_CRCPolynomial

用来设置CRC校验多项式，提高通信可靠性，大于1即可。

示例代码：

void  SPIInit( void )
{
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
    FLASH_GPIO_Init();
    /*!< Deselect the FLASH: Chip Select high */
    GPIO_SetBits( GPIOA, GPIO_Pin_4 );
    /*!< SPI configuration */
    SPI_InitStructure.SPI_Direction    = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;      /* 双线双向全双工 */
    SPI_InitStructure.SPI_Mode     = SPI_Mode_Master;                      /* 主 SPI */
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize     = SPI_DataSize_8b;                      /* 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;                       /* 第二个跳变沿数据被采样 */
    SPI_InitStructure.SPI_NSS      = SPI_NSS_Soft;                         /* NSS 信号由软件控制 */
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;             /* 预分频 16 */
 
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit     = SPI_FirstBit_MSB;                     /* 数据传输从 MSB 位开始 */
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial= 7;                                    /* CRC 值计算的多项式 */
    SPI_Init( SPI1, &SPI_InitStructure );
    /*!< Enable the sFLASH_SPI  */
    SPI_Cmd( SPI1, ENABLE );
}

看到这里，可能觉的前面讲原理并没有太大的用处，因为STM32集成了SPI控制器，配置一下即可。

一方面我们学习原理是为了更好的理解SPI，用于对接不同的SPI设备，像norflash的spi驱动网上有大量的例子，不容易出错。但并不是特别常见的，spi驱动SD卡，SPI驱动网络PHY，SPI驱动ESP8266，甚至在设计两个IC通信时，由于没有过多GPIO，又觉的IIC通信速度慢的话，可以设计两个IC之间使用SPI通信，显然这些场景就需要了解SPI的原理

另外一方面，实际应用中，有可能因为芯片其他管脚用于特殊功能，留下的管脚没有硬件SPI功能，只能模拟实现，这个时候学习SPI原理就很有必要了。

05

SPI的应用

SPI的常用应用NorFlash

从数据手册上看到，SPI传输：CKPOL=1，CKPHA=1

所以STM32的SPI读取NorFlash的配置如下

抓取波形

波形如下：

0100 1011  就是0X4B

其中看到：

起始电平是高电平，也就是CKPOL=1

第二个边沿采样，也就是CKPHA=1

其实说成类似IIC的高电平有效也是没有问题的

下面这句话是写模拟SPI的核心

自己的理解：在下降沿转换数据，在上升沿采样数据

除了抓取波形，在华邦Flash也看到了时序图

06

code

读取norflash两种驱动实现方式

使用STM32F207硬件SPI模块

/**

  * @brief  Initializes the peripherals used by the SPIFLASH driver.
  * @param  None
  * @retval None
 */
void FLASH_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
  
  /*!< Enable the SPI clock */
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
  
 /*!< Enable GPIO clocks */
 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);  
 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);
  /*!<SPI pins configuration*************************************************/
  
 /*!< Connect SPI pins to AF5 */  
  GPIO_PinAFConfig(GPIOA,5, GPIO_AF_SPI1);
  GPIO_PinAFConfig(GPIOA, 6, GPIO_AF_SPI1);
 GPIO_PinAFConfig(GPIOB, 5, GPIO_AF_SPI1);
  
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP;//GPIO_PuPd_DOWN;
 
  /*!< SPI SCK pin configuration */
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
  GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
  
  /*!< SPI MISO pinconfiguration */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_6;
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  
  /*!<SPI MOSI pin configuration */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 
  /*!< Configure sFLASH Card CS pin in output pushpull mode*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
  GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);
}

/**
  * @brief Initializes the peripherals used by the SPI FLASH driver.
  *@param  None
  * @retval None
  */
void FLASH_SPIInit(void)
{  
  
  SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
  
  FLASH_GPIO_Init();
  
 /*!< Deselect the FLASH: Chip Select high */
 GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_12);
  
  /*!< SPIconfiguration */
  SPI_InitStructure.SPI_Direction =SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//双线双向全双工
 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;//主SPI
  SPI_InitStructure.SPI_DataSize =SPI_DataSize_8b;// 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;//第二个跳变沿数据被采样
 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;//NSS 信号由软件控制
 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler =SPI_BaudRatePrescaler_16;//预分频16
  
  SPI_InitStructure.SPI_FirstBit= SPI_FirstBit_MSB;//数据传输从MSB 位开始
 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;//CRC 值计算的多项式
 SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
  /*!< Enable thesFLASH_SPI  */
  SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}

软件模拟SPI协议

/**

  * @brief  Sends a byte through the SPI interface andreturn the byte received
  *         from the SPI bus.
  *@param  byte: byte to send.
  * @retval The value of thereceived byte.
  */
uint8_t SPI_ReadWriteByte(uint8_tdata)
{
  uint8_t i,data_read = 0;  
 if(data!=0xA5){
    for(i=0;i<8;i++){
     MSPI_CLK_L();                                                   
     if(data&0x80){                                                  
  MSPI_MOSI_H();
      }else{
  MSPI_MOSI_L();
     }
      MSPI_DELAY();
      data = data<<1;                                                  
      MSPI_CLK_H();                                                    
     MSPI_DELAY();                                                        
    }
    return data_read;
  }else{
   for(i=0;i<8;i++){
      MSPI_CLK_L();                                      
      MSPI_DELAY();                                      
      data_read = data_read<<1;                                    
      MSPI_CLK_H();                                    
      if(MSPI_READ_IN()){                                                
  data_read |= 0x01;                                  
     }
      MSPI_DELAY();
    }
    returndata_read;
  }                                            
}

/**
  * @brief  Initializes the peripheralsused by the SPI FLASH driver.
  * @param  None
  * @retvalNone
  */
void FLASH_GPIO_Init(void)
{
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  /*!< Enable GPIOclocks */
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);
 
  /*!< Configure sFLASH Card CS pin in output pushpull mode*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
  GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);
  
  /*!< SPI SCK pinconfiguration */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  MSPI_CLK_H();
 
  /*!< SPI MOSI pin configuration */
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_5;
  GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
  MSPI_MOSI_H();
  
  /*!<SPI MISO pin configuration */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

/**
 * @brief  Initializes the peripherals used by the SPI FLASH driver.
 * @param  None
  * @retval None
  */
void FLASH_SPIInit(void)
{  
  
  FLASH_GPIO_Init();
 
  /*!< Deselect the FLASH: Chip Select high */
 GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_12);
}

开源地址：

https://github.com/strongercjd/STM32F207VCT6

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