STM32H7串行外设接口（SPI）主从全双工通信模式的用法

STM32H7串行外设接口（SPI）主从全双工通信模式的用法

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/mftang/article/details/137606083

本文主要介绍STM32H7系列微控制器的SPI（串行外设接口）相关应用方法，包括SPI的实现原理、寄存器配置、使用STM32Cube工具进行参数配置，以及STM32 HAL库中与主从全双工通信模式相关的接口函数。文章详细介绍了SPI的基本概念、主要特性、功能说明、通信模式、重要寄存器等内容，并提供了具体的代码示例。

概述

本文主要介绍STM32H7系列微控制器的SPI（串行外设接口）相关应用方法，包括SPI的实现原理、寄存器配置、使用STM32Cube工具进行参数配置，以及STM32 HAL库中与主从全双工通信模式相关的接口函数。文章详细介绍了SPI的基本概念、主要特性、功能说明、通信模式、重要寄存器等内容，并提供了具体的代码示例。

1 认识SPI

1.1 SPI 的概念

串行外设接口 (SPI) 可使用特定同步协议与外部器件进行通信。SPI 接口支持与外部器件进行半双工、全双工和单工同步串行通信。该接口可配置为主模式或从模式，并且能够在多从或多主配置中运行。

在配置为主器件时，它为外部从器件提供通信时钟 (SCK)。从器件选择信号可以由主器件提供，也可以选择由从器件接收。默认情况下使用 Motorola 数据格式，但也支持某些其他特定模式。

1.2 SPI 主要特性

• 传输总线选择：

• 基于三条线的全双工同步传输

• 基于双线的半双工同步传输，其中一条可作为双向数据线

• 基于双线的单工同步传输，其中一条可作为单向数据线

• 模式选择：

• 数据大小可从 4 位到 32 位

• 多主或多从模式功能

• 双时钟域，外设内核时钟可以独立于 PCLK

• 8 个主模式波特率预分频器，可达内核频率的一半

• 从模式频率可达 IP 内核频率的一半

• 可控配置：

• 保护配置和设置

• 对于主模式和从模式都可以通过硬件或者软件进行 SS 管理

• 数据之间的最小延时，以及 SS 与数据流之间的最小延时均可调

• 可配置的 SS 信号极性和时序， MISO x MOSI 交换功能

• 可调节的主器件接收器采样时间

• 可编程的时钟极性和相位

• 可编程的数据顺序，最先移位 MSB 或 LSB

• 可以对传输的数据量进行编程，以控制 SS 和 CRC

• 可触发中断的专用发送和接收标志

• 停止模式（未向外设 IP 提供时钟）下从器件发送和/或接收功能，以及唤醒功能

• 数据格式、DMA和CRC:

• SPI Motorola 和 TI 格式支持

• 用于确保可靠通信的硬件 CRC 功能：

• 在发送模式下可以添加 CRC 校验值

• 在接收模式下，自动进行 CRC 错误校验

• 可触发中断的主模式故障、上溢或下溢标志以及 CRC 错误检测

• 具有 DMA 功能的两个 16x 或 8x 8 位的内置 Rx 和 Tx FIFO

• 可编程的传输数据量

• 可配置的 FIFO 阈值（数据打包）

• 从模式下，下溢条件可配置（支持级联循环缓冲区）

1.3 STM32F7xx SPI 特性

2 SPI 功能说明

2.1 SPI 框图

SPI 支持在 MCU 与外部器件之间进行同步串行通信。应用软件可通过轮询状态标志或使用专用 SPI 中断对通信进行管理。 SPI 的主要组件及其交互方式如以下框图所示：

2.2 SPI 信号

四个 I/O 引脚专用于与外部器件进行 SPI 通信。

SPI 总线支持一个主器件与一个或多个从器件之间进行通信。该总线至少由两条线构成：一条用于时钟信号，另一条用于同步数据传输。其它信号可以根据 SPI 节点间的数据交换及其从器件选择信号管理进行添加。 MOSI 和 MISO 引脚之间的功能可以在任意 SPI 模式下反相。

3 主从通信模式

通信流可使用以下 3 种模式之一：全双工（ 3 线）、半双工（ 2 线）或单工（ 2 线）。 SS 信号在单一主从器件配置下是可选信号，并且一般不使用。不过， SS 信号在此配置下可有助于同步数据流，并在默认情况下用于某些特定 SPI 模式（例如， TI 模式）。

本文主要介绍全双工（ 3 线）通信模式的用法。

3.1 全双工通信模式

默认情况下， SPI 配置为全双工通信（ SPI_CFG2 寄存器中的位 COMM[1:0] = 00）。在这种配置下，主器件和从器件的移位寄存器通过 MOSI 和 MISO 引脚之间的两条单向线连接。在 SPI 通信过程中，数据随主器件提供的 SCK 时钟边沿同步移位。主器件通过 MOSI 线将待发送的数据发送给从器件，同时通过 MISO 线从从器件接收数据。当数据帧传输完成时（所有位均移出），主器件和从器件之间即完成信息交换。

3.2 全双工通信模式框图

3.3 标准多从器件通信

在具有两个或多个独立从器件的配置下，主器件使用星型拓扑和专用的 GPIO 引脚来分别管理每个从器件的片选线。主器件必须通过拉低与从器件 SS 输入相连的GPIO 的电平来单独选择一个从器件（在同一时刻，只有一个从器件可以控制共用 MISO 线上的数据）。完成上述操作后，随即会在主器件和所选从器件之间建立通信。这种拓扑除了具有简便性优势外，还支持对各个从器件应用特定 SPI 配置，因为所有通信会话均在一个主器件-从器件对内单独进行。此外，如果无需从从器件中读取任何信息，主器件可以将相同的信息发送到多个从器件。

4 几个重要的SPI寄存器

STM32H7和SPI相关的寄存器有很多个，这里只介绍和主从全双工通信模式相关的寄存器。

4.1 SPI 配置寄存器 2 (SPI_CFG2)

偏移地址： 0x0C

复位值： 0x0000 0000

SPI 使能或 SPI2S_CR1 寄存器中的 IOLOCK 位置 1 时，该寄存器的内容受写保护。

• 位 25 CPOL：时钟极性 (Clock Polarity)

• 0：空闲时 SCK 信号为低电平

• 1：空闲时 SCK 信号为高电平

• 位 24 CPHA：时钟相位 (Clock phase)

• 0：从第一个时钟边沿开始采样数据

• 1：从第二个时钟边沿开始采样数据

• 位 23 LSBFRST：数据帧格式 (Data frame format)

• 0：先发送 MSB

• 1：先发送 LSB

• 位 22 MASTER：SPI 主模式 (SPI Master)

• 0： SPI 从模式

• 1： SPI 主模式

• 位 21:19 SP[2:0]：串行协议 (Serial Protocol)

• 000： SPI Motorola

• 001： SPI(TI)

• 位 18:17 COMM：SPI 通信模式 (SPI Communication Mode)

• 00：全双工

• 01：单工发送器

• 10：单工接收器

• 11：半双工

4.2 SPI 中断使能寄存器 (SPI2S_IER)

偏移地址： 0x10

复位值： 0x0000 0000

• 位 5 UDRIE：UDR 中断使能 (UDR interrupt enable)

• 0：禁止 UDR 中断

• 1：使能 UDR 中断

• 位 4 TXTFIE：TXTFIE 中断使能 (TXTFIE interrupt enable)

• 0：禁止 TXTF 中断

• 1：使能 TXTF 中断

• 位 1 TXPIE：TXP 中断使能 (TXP interrupt enable)
  TXPIE 由软件置 1，并由 TXTF 标志置 1 事件清零。

• 0：禁止 TXP 中断

• 1：使能 TXP 中断

• 位 0 RXPIE：RXP 中断使能 (RXP Interrupt Enable)

• 0：禁止 RXP 中断

• 1：使能 RXP 中断

4.3 SPI状态寄存器 (SPI2S_SR)

偏移地址： 0x14

复位值： 0x0000 1002

• 位 1 TXP：可用的 Tx 数据包空间 (Tx-Packet space available)

• 0： TxFIFO 中没有足够的空间来放置下一个数据包

• 1： TxFIFO 具有足够的可用位置来容纳 1 个数据包
  TXP 标志由硬件进行更改。如果使能 SPI，它将监视 TxFIFO 中当前可用的总体空间。在 TxFIFO 中存储完整的数据包后，必须对其进行检查。

• 位 0 RXP：可用的 Rx 数据包 (Rx-Packet available)

• 0： RxFIFO 为空或接收到的数据包不完整

• 1： RxFIFO 至少包含 1 个数据包
  RXP 标志由硬件进行更改。如果使能 SPI，它将监视 RxFIFO 中当前可用的整体数据量。从 RxFIFO 中完整读取一个数据包后，必须对其进行检查。

4.4 SPI发送数据寄存器 (SPI2S_TXDR)

偏移地址： 0x20

复位值： 0x0000 0000

• 位 31:0 TXDR[31:0]：发送数据寄存器 (Transmit data register)
  该寄存器用作与 TxFIFO 的接口。对其进行写操作可访问 TxFIFO。

注意点：

• 1）数据始终右对齐。写入寄存器时将忽略未使用位，读取寄存器时会将未使用位读为 0。
• 2）DR 可按字节进行访问（ 8 位访问）：在这种情况下，通过单次访问只能写入一个数据字节
• 3）按半字进行访问（ 16 位访问）：在这种情况下，通过单次访问可写入 2 个数据字节或1 个半字数据。
• 4）逐字进行访问（ 32 位访问）：在这种情况下，通过单次访问可写入 4 个数据字节或者2 个半字数据或字数据。

4.5 SPI接收数据寄存器 (SPI2S_RXDR)

偏移地址： 0x30

复位值： 0x0000 0000

• 位 31:0 RXDR[31:0]：接收数据寄存器 (Receive data register)
  该寄存器用作与 RxFIFO 的接口。对其进行读操作时将访问 RxFIFO。

1）数据始终右对齐。读取该寄存器时，未使用的位将读为 0。对该寄存器进行的写操作将被忽略。
2）DR 可按字节进行访问（ 8 位访问）：在这种情况下，通过单次访问只能读取一个数据字节
3）按半字进行访问（ 16 位访问）：在这种情况下，通过单次访问可读取 2 个数据字节或1 个半字数据。
4）逐字进行访问（ 32 位访问）：在这种情况下，通过单次访问可读取 4 个数据字节或者2 个半字数据或字数据。

5 STM32Cube配置SPI

使能SPI接口，选择Master模式

配置SPI相关的参数

配置SPI的工作时钟

6 SPI Hal库函数

STM32 Hal库中提供了需要和SPI相关的库函数，本文主要介绍主从全双工通信模式下的相关内容，所以只介绍和该应用相关的接口。

6.1 初始化接口：HAL_SPI_Init

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi);

使用Demo, 在使用STM32Cube产生工程时，该函数会被STM32Cube工具自动生成，函数中的配置参数可以在Parameter Settings中修订:

6.2 发送数据函数：HAL_SPI_Transmit

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi,
                                   const uint8_t *pData,
                                   uint16_t Size,
                                   uint32_t Timeout);

参数介绍：

6.3 接收数据函数： HAL_SPI_Receive

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi,
                                  uint8_t *pData,
                                  uint16_t Size,
                                  uint32_t Timeout);

参数介绍：

6.4 发送接收函数：HAL_SPI_TransmitReceive

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi,
                                          const uint8_t *pTxData,
                                          uint8_t *pRxData,
                                          uint16_t Size,
                                          uint32_t Timeout);

参数介绍：

6.5 自定义发送和接收数据函数：SPI_readWriteByte

STM32 Hal库函数中已经实现SPI的发送和接收数据功能函数，但在实际项目应用过程中，有些程序对时间要求特别严格，为了尽量代码消耗时间，希望能尽量减少代码的长度，这时直接操作寄存器实现功能是一个非常好的选择。

函数源代码功能介绍：

• 代码第62行：使能串行外设
• 代码第63行：主传输正在进行，或通过自动挂起被临时挂起
• 代码第65行：TxFIFO 具有足够的可用位置来容纳 1 个数据包
• 代码第66行：发送数据
• 代码第68行：RxFIFO 为空或接收到的数据包不完整，RXP =1 接收数据完成
• 代码第69行：从RXDR中读取数据
• 代码第71行：传输结束标志清零 (End Of Transfer flag clear)，向该位写入 1 可将 SPI2S_SR 寄存器的 EOT 标志清零
• 代码第72行：禁止串行外设工作
• 代码第74行：返回读取到的数据

详细代码：

static uint8_t SPI_readWriteByte(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t txData)
{
    uint8_t rxData=0;
    hspi->Instance->CR1|=1<<0;
    hspi->Instance->CR1|=1<<9;
    while((hspi->Instance->SR&1<<1)==0);
    hspi->Instance->TXDR = txData;
    while((hspi->Instance->SR&1<<0)==0);
    rxData = hspi->Instance->RXDR;
    hspi->Instance->IFCR|=3<<3;
    hspi->Instance->CR1&=~(1<<0);
    return rxData;
}