STM32的串行外设接口SPI
STM32的串行外设接口SPI
STM32的串行外设接口（SPI）是一种高速、全双工的同步串行外设接口，允许微控制器（MCU）与各种外围设备进行全双工同步串行通信。SPI总线采用主从模式架构，支持一个或多个从设备，常用于单片机EEPROM、FLASH、实时时钟、数字信号处理器等器件的通信。本文将详细介绍SPI接口的组成部分、功能特点、基本架构、NSS模式、时钟相位和极性以及主从模式下的数据发送和接收过程。
1.1、SPI接口组成部分以及功能
SPI接口是一种高速、全双工的同步串行外设接口，允许MCU与各种外围设备进行全双工同步串行通信。SPI总线是三线制，采用主从模式架构，支持一个或多个从设备。常用于单片机EEPROM、FLASH、实时时钟、数字信号处理器等器件的通信。
SCK（时钟信号）：主设备通过SCK线发送时钟信号，控制数据传输的速率和同步。从设备根据时钟信号的脉冲边沿（上升沿或下降沿）进行数据的读写操作。
MOSI（主设备输出/从设备输入）：当主设备需要与从设备通信时，通过MOSI线发送数据给从设备。
MISO（主设备输入/从设备输出）：从设备通过MISO线将数据发送给主设备。
SS/CS（片选/从设备选择）：主设备通过SS/CS线选择特定的从设备进行通信，确保一次只有一个从设备与主设备进行数据传输。
其他控制信号：如中断线等，用于在特定条件下触发中断，实现中断服务程序的处理。
1.2、单主机多从机SPI通信电路
1.硬件连接
将主机的SCK线连接到所有从机的SCK线，以实现时钟信号的共享。
将主机的MOSI线连接到所有从机的MOSI线，用于主机向所有从机发送数据。
将每个从机的MISO线单独连接到主机的MISO线。
每个从机设备连接一根独立的SS/CS线到主机，以便主机能够选择特定的从机进行通信。
2.通信过程
主机通过拉低某个从机的SS/CS线来选择该从机进行通信。
主机通过SCK线产生时钟信号，并通过MOSI线发送数据给被选中的从机。
被选中的从机在时钟信号的同步下，通过MISO线返回数据给主机。
通信完成后，主机拉高SS/CS线，结束与当前从机的通信，并可以选择下一个从机进行通信。主片在访问某一从片时，必须使该从片的片选信号有效；主片在 SCK 信号的同步下，通过 MOSI 线发出指令、地址信息；如需将数据输出，则接着写指令，由 SCK 同步在 MOSI 线上发出数据；如需读回数据，则接着读指令，由主片发出 SCK，从片根据 SCK 的节拍通过 MISO 发回数据。对具有 SPI 接口的从片器件来讲，SCK、MOSI 是输入信号，MISO 是输出信号。
1.3、SPI功能特点及基本架构
1.功能特点
1）3线全双工同步传输，带或不带第3根双向数据线的双线单工同步传输。
2）8位或16位传输帧格式选择。
3）支持多主模式。
4）可编程的时钟极性、相位和数据顺序。
5）可触发中断的专用发送和接收标志、主模式故障、过载以及CRC错误标志。
6）SPI总线忙状态标志。
7）支持可靠通信的硬件CRC。
8)支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器，产生发送和接收请求。
9）兼容I2S音频协议。
2.基本架构
SPI 的所有硬件架构都从上图中左 MOSI、MISO、SCK及 NSS 线展开的。其内部包括地址和数据总线、接收缓冲区、移位寄存器、发送缓冲区、波特率发生器、主控制电路、通信电路以及3个相关寄存器。
STM32 芯片有多个 SPI 外设，它们的 SPI 通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚。
1.4、SPI的NSS两种模式
通过SPI_CR1寄存器的SSM位可以设置NSS两种模式:硬件NSS模式和软件NSS模式。
其软件模式：是通过普通GPIO去控制NSS的高低电平；硬件模式：是NSS连接的引脚使能复用功能，该引脚绑定了外设，不能再作为一个普通IO来使用。
1.硬件NSS模式
硬件NSS又分为hard_input和hard_output，即硬件NSS的输入输出模式。
1）hard_output模式：
应用场景：主要用在SPI主模式下。
工作原理：在这种模式下，NSS连接的引脚使能复用功能，并且作为SPI专用的输出IO使用。SPI硬件会自动控制NSS信号的高低电平，用于选择与之通信的从设备。
配置：当SPI配置为Master模式时，NSS需要配置为hard_output模式。NSS引脚会发送一个低电平信号给从设备，表示主设备要与该从设备进行通信。这个低电平信号通常通过直接连接主设备的NSS引脚和从设备的CS引脚来实现。
特点：由于NSS由SPI硬件自动控制，因此数据传输速率较高。但需要注意的是，当STM32作为主设备时，同一SPI接口上只能连接一个从设备。
2）hard_input模式：
应用场景：主要用在SPI从模式下。
工作原理：在这种模式下，NSS连接的引脚同样使能复用功能，但作为SPI专用的输入IO使用。从设备通过NSS引脚接收来自主设备的信号，以判断是否需要进行通信。
配置：当SPI配置为Slave模式时，NSS需要配置为hard_input模式。NSS引脚会持续监听主设备发送的信号，当检测到低电平时，表示主设备要求与该从设备进行通信。
特点：在从模式下，NSS信号由主设备控制，从设备只能被动地接收并响应。这种模式下，从设备可以根据NSS信号的变化来判断何时开始或结束通信。
2.软件NSS模式
软件NSS模式在SPI通信中，主要通过软件控制NSS信号的高低电平，以模拟硬件NSS信号的功能。
1）工作原理
NSS输出被使能：当STM32或其他SPI主设备工作为主SPI，并且NSS输出已经通过SPI_CR2寄存器的SSOE位使能时，NSS引脚被拉低。所有NSS引脚与这个主SPI的NSS引脚相连并配置为硬件NSS的SPI设备，将自动变成从SPI设备。
NSS输出被关闭：在某些情况下，可能需要关闭NSS的输出功能，以允许多主环境或其他特殊配置。这可以通过软件来控制SPI_CR1寄存器的相关位来实现。
2）配置与操作
设置SPI_CR1寄存器：通过设置SPI_CR1寄存器的NSSM位来使能软件NSS模式。在这个模式下，NSS引脚可以用作其他功能，而内部NSS信号电平可以通过写SPI_CR1的SSI位来驱动。
控制NSS电平：在软件NSS模式下，可以通过软件代码来控制NSS信号的高低电平。通常涉及到对GPIO端口的操作，因为NSS引脚通常连接到某个GPIO端口上。
数据传输：当NSS信号被正确设置后，SPI主设备和从设备之间就可以进行正常的数据传输。在数据传输过程中，NSS信号的状态将保持不变，直到数据传输完成或需要改变通信对象。
1.5、时钟相位和极性
时钟相位和极性决定了SPI通信中的时序和数据采样方式。
1. 时钟极性（CPOL）
定义：时钟极性定义了SCLK时钟线空闲状态时的电平。
取值与含义：
CPOL=0：SCLK时钟信号线在空闲状态时的电平为低电平，因此有效状态为高电平。
CPOL=1：SCLK时钟信号线在空闲状态时的电平为高电平，因此有效状态为低电平。
2. 时钟相位（CPHA）
定义：时钟相位定义了数据位相对于时钟线的时序（即相位），即决定了何时进行信号采样。
取值与含义：
CPHA=0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿（取决于CPOL的值，可能是上升沿或下降沿）采样。当CPOL=0时，采样发生在SCK的上升沿。当CPOL=1时，采样发生在SCK的下降沿。
CPHA=1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿（取决于CPOL的值，可能是上升沿或下降沿）采样。当CPOL=0时，采样发生在SCK的下降沿。当CPOL=1时，采样发生在SCK的上升沿。
3. SPI通信模式
时钟极性和时钟相位的组合定义了SPI通信的四种模式：
模式0（CPOL=0, CPHA=0）：空闲时低电平，数据在第一个上升沿采样。
模式1（CPOL=0, CPHA=1）：空闲时低电平，数据在第二个下降沿采样。
模式2（CPOL=1, CPHA=0）：空闲时高电平，数据在第一个下降沿采样。
模式3（CPOL=1, CPHA=1）：空闲时高电平，数据在第二个上升沿采样。
数据线被采样，都是等待数据线变化稳定半个时钟周期进行采样
由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，因此通常主机要按照从机支持的模式去设置。
1.6、主从模式下数据发送和接收过程
起始信号：NSS信号线由高到低，是SPI通信的起始信号
结束信号：NSS信号线由低到高，是SPI通信的停止信号数据传输：SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据高位在前低位在后，且数据输入输出是同时进行的。
1.SPI主模式
在主模式下，MOSI引脚是数据输出，而MISO引脚是数据输入，SCK引脚产生串行时钟。
1）配置步骤
通过SPI_CR1寄存器的BR位定义串行时钟波特率。
选择CPOL和CPHA位，定义数据传输和串行时钟间的相位关系(见图212)。
设置DFF位来定义8位或16位数据帧格式。
配置SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位定义帧格式。
如果需要NSS引脚工作在输入模式，硬件模式下，在整个数据帧传输期间应把NSS脚连接 到高电平；在软件模式下，需设置SPI_CR1寄存器的SSM位和SSI位。如果NSS引脚工作 在输出模式，则只需设置SSOE位。
必须设置MSTR位和SPE位(只当NSS脚被连到高电平，这些位才能保持置位)。
2）数据发送过程
当写入数据至发送缓冲器时，发送过程开始。 在发送第一个数据位时，数据字被并行地(通过内部总线)传入移位寄存器，而后串行地移出到 MOSI脚上；MSB在先还是LSB在先，取决于SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位的设置。数据从 发送缓冲器传输到移位寄存器时TXE标志将被置位，如果设置了SPI_CR1寄存器中的TXEIE 位，将产生中断。
3）数据接收过程
对于接收器来说，当数据传输完成时： 传送移位寄存器里的数据到接收缓冲器，并且RXNE标志被置位。 如果设置了SPI_CR2寄存器中的RXNEIE位，则产生中断。 在最后采样时钟沿，RXNE位被设置，在移位寄存器中接收到的数据字被传送到接收缓冲器。读 SPI_DR寄存器时，SPI设备返回接收缓冲器中的数据。 读SPI_DR寄存器将清除RXNE位。 一旦传输开始，如果下一个将发送的数据被放进了发送缓冲器，就可以维持一个连续的传输 流。在试图写发送缓冲器之前，需确TXE标志应该为’1’。
2.SPI从模式
在从模式下，MOSI引脚是数据输入，而MISO引脚是数据输出。SCK引脚用于接收从主设备来的串行时钟。其中SPI_CR1寄存器中BR的设置不影响数据传输速率。
1）配置步骤
设置DFF位以定义数据帧格式为8位或16位。
选择CPOL和CPHA位来定义数据传输和串行时钟之间的相位关系。为保证正确的数据传输，从设备和主设备的CPOL和CPHA位必须配置成相同的方式。
帧格式(SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位定义的”MSB在前”还是”LSB在前”)必须与主设备 相同。
硬件模式下，在完整的数据帧(8位或16位)传输过程中， NSS引脚必须为低电平。在NSS软件模式下，设置SPI_CR1寄存器中的SSM位并清除SSI 位。
清除MSTR位、设置SPE位(SPI_CR1寄存器)，使相应引脚工作于SPI模式下。 在这个配置中，MOSI引脚是数据输入，MISO引脚是数据输出。
2）数据发送过程
在写操作中，数据字被并行地写入发送缓冲器。 当从设备收到时钟信号，并且在MOSI引脚上出现第一个数据位时，发送过程开始(此时 第一个位被发送出去)。余下的位(对于8位数据帧格式，还有7位；对于16位数据帧格式，还有 15位)被装进移位寄存器。当发送缓冲器中的数据传输到移位寄存器时，SPI_SP寄存器的TXE 标志被设置，如果设置了SPI_CR2寄存器的TXEIE位，将会产生中断。
3）数据接收过程
对于接收器，当数据接收完成时： 移位寄存器中的数据传送到接收缓冲器，SPI_SR 寄存器中的RXNE标志被设置。如果设置了SPI_CR2寄存器中的RXNEIE位，则产生中断。 在最后一个采样时钟边沿后，RXNE位被置’1’，移位寄存器中接收到的数据字节被传送到接收缓 冲器。当读SPI_DR寄存器时，SPI设备返回这个接收缓冲器的数值。 读SPI_DR寄存器时，RXNE位被清除。