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文章目錄

• 前言
• 一、SPI協議的特點
• • 1. 優點
  • 2. 缺點
  • 3. 結構
• 二、SPI協議分析
• • 1. 模式概念理解
  • 2. 通信過程分析
  • 3. SPI個人協議理解
  • 4、使用SPI協議操作SPI外設芯片
• 總結

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前言

題目上寫的是單片機，其實不管你的板子上不上系統（FreeRtos、Linux），協議都是不變的。題外話：工作過程中，一直在移植別人寫好的SPI協議，然后和外設的芯片（例如：Flash芯片、NFC芯片等）進行通信，但是都沒有往底層深入的看，下午照著代碼看了三個多小時，寫這篇博客作為總結。

一、SPI協議的特點

SPI （Serial Peripheral Interface），是串行外圍設備接口，通過這幾個接口（一般4個接口，有片選、時鐘、輸入、輸出）出來的數據遵循一定的規則，我們把這個規則叫做協議，所以就是SPI協議，可以進行高速、全雙工、同步的通信。現在越來越多的外設芯片集成了這種通信協議，常見的有FLASH、AD轉換器，NFC芯片等。

1. 優點

• 支持全雙工，信號完整性好；

• 支持高速（100MHz以上）；

• 協議支持字長不限于8bits，可根據應用特點靈活選擇消息字長，（高位先行還是低位先行，需要看外設芯片的手冊，主要是保證兩個 SPI通訊設備之間使用同樣的協定）；

• 硬件連接簡單；

2. 缺點

• 相比IIC多兩根線，有4根線；

• 沒有尋址機制，只能靠片選選擇不同設備。意思就是發送數據前，要先通過IO拉低設備片選信號，然后在發送數據，操作完成后將片選信號拉高；

• 沒有從設備接受ACK，主設備對于發送成功與否不得而知；

• 典型應用只支持單主控；

• 相比RS232 RS485和CAN總線，SPI傳輸距離短，局限于PCB板子；

3. 結構

• 信號定義如下：
  SCK: Serial Clock 串行時鐘
  MOSI : Master Output, Slave Input 主發從收信號
  MISO: Master Input, Slave Output 主收從發信號
  SS/CS : Slave Select 片選信號

二、SPI協議分析

1. 模式概念理解

首先要知道時鐘極性 CPOL”和“時鐘相位 CPHA的概念，概念自行百度，根據CPOL 及 CPHA 的不同狀態，SPI 分成了四種模式，若你寫軟SPI協議的話，一定要知道這四種模式，使用硬SPI協議的話，根據外設芯片，在初始化時，配置MCU的寄存器即可。四種模式如下：

例如：W25Q64這款FLSH芯片，既支持模式0，也支持模式3，所以在MCU初始化SPI時，就可以選擇這兩種模式中的一種。

2. 通信過程分析

這是一張野火STM32F103手冊上的圖片，我們參考這種圖片來分析通信過程

• (1) 拉低NSS信號線，產生起始信號(圖中沒有畫出)；（需要軟件操作)
• (2) 把要發送的數據寫入到“數據寄存器 DR”中，該數據會被存儲到發送緩沖區；（需要軟件操作)
• (3) 通訊開始，SCK 時鐘開始運行。MOSI 把發送緩沖區中的數據一位一位地傳輸出去；MISO 則把數據一位一位地存儲進接收緩沖區中；（我們不用管，單片機會自動幫我們完成！)
  *(4) 當發送完一幀數據的時候，“狀態寄存器 SR”中的“TXE 標志位”會被置 1，表示傳輸完一幀，發送緩沖區已空；類似地，當接收完一幀數據的時候，“RXNE標志位”會被置 1，表示傳輸完一幀，接收緩沖區非空；（需要軟件操作，因為我們要做狀態查詢，通常是while死循環來保證數據被發送或接收)
• (5) 等待到“TXE標志位”為1時，若還要繼續發送數據，則再次往“數據寄存器DR”寫入數據即可；等待到“RXNE 標志位”為 1時，通過讀取“數據寄存器 DR”可以獲取接收緩沖區中的內容;
• (6) 拉高 NSS信號線，產生結束信號（需要軟件操作)

3. SPI個人協議理解

其實，對于任何一種MCU支持的協議來說，我們要做的就3步：

• 1、初始化
• 2、發送數據
• 3、接收數據
  不過，spi協議在發送和接收數據前要拉低片選信號而已。對MCU操作來說，每款MCU的廠家給出的寄存器是不一樣，在編寫發送或接收函數時，每個MCU的編寫函數是不一樣的。這里，分析兩家的,拿到一款芯片后，可以參考廠家demo編寫，這才是最正確的，千萬不要傻乎乎的自己從頭到尾寫。

第一家，意法半導體的STM32F103芯片。因為之前說過，SPI協議沒有從設備發送ACK，所以主設備對于發送成功與否不得而知，但是可以知道數據buff是否發送完成，簡單來說，數據發送成不成功我不知道，但是我知道數據發沒發完。每個廠家設計的不一樣，STM32檢測buff是否發送完成依據接收緩沖區（沒有寫出錯，是接收緩沖區）不為空（這樣設計感覺挺奇怪的，沒辦法廠家就是這樣設計的）

• 1）發送之前，先檢測TXE，若發送緩沖區位空，則將數據寫入發送數據寄存器；
• 2）等待數據發送完成（若RXNE為非空，則表示發送完成）；

// 發送函數 u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte) {SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;/* 等待發送緩沖區為空，TXE事件 */while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);}/* 寫入數據寄存器，把要寫入的數據寫入發送緩沖區 */SPI_I2S_SendData(FLASH_SPIx, byte); // 將一個字節的數據寫入spi數據寄存器SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;/* 判斷發送buff的數據是否完成，等待接收緩沖區非空，RXNE事件 */while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);}/* 讀取數據寄存器 */return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPIx ); } // 接收函數 u8 SPI_FLASH_ReadByte(void) {// 通過寫的方式，來讀數據，感覺挺奇怪的return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte)); //Dummy_Byte為任意字節，無意義，但是必須要寫，一般我們寫0XFF }

• 第二家，國內HUA芯片， 這款芯片就有專門的發送完成和是否接受到數據的狀態寄存器，發送和接收邏輯符合我們通常的認知。寫這兩個函數的時候需要參考廠家demo。

// 發送函數 void Spim0SendData(UINT8 *data_buf, UINT16 len) { UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;Spim0ClrFifo(); //清空發送緩沖區Spim0RecAutorcvDis(); // 禁用自動接收Spim0TransStart(); // 開始發送Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND); // 清空發送完成寄存器while(len){ if(len >= 8){/*send 8 Byte data*/for (UINT8 i = 0; i < 8; i++){SPIM0->DR = *data_buf;data_buf++;} len -= 8;wrcnt += 8;}else if(len >= 4){/*send 4 Byte data*/for (UINT8 i = 0; i < 4; i++){SPIM0->DR = *data_buf;data_buf++;} len -= 4;wrcnt += 4;} else{for (UINT8 i = 0; i < len; i++){SPIM0->DR = *data_buf;data_buf++;len--;} }while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_TXEND)); Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND);}Spim0TransStop(); } // 接收函數 void Spim0RecvData( UINT8 *data_buf, UINT16 rev_len) { UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;Spim0SetClk(rev_len & 0x3ff);/*set rx frames,the maxlen is 0x3ff bytes*/Spim0ClrFifo();Spim0RecAutorcvEn();/*only receive mode en*/ Spim0TransStart();while(rev_len != 0){if(rev_len >= 4){ /*receive 4 byte data*/while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXHF));*data_buf++ = SPIM0->DR;*data_buf++ = SPIM0->DR;*data_buf++ = SPIM0->DR;*data_buf++ = SPIM0->DR;rev_len -= 4; } else{ while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXNE));for(; rev_len>0; rev_len--){*data_buf++ = SPIM0->DR;}}}Spim0TransStop(); }

4、使用SPI協議操作SPI外設芯片

需要先看外設芯片的數據手冊，例如W25Q64 flash芯片的操作指令為，（下圖中括號的數據為接收的數據）：

舉個簡單的例子，使用stm32讀flash的設備ID:

u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void) {u32 Temp = 0;/* Select the FLASH: Chip Select low */SPI_FLASH_CS_LOW();/* Send "RDID " instruction */SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID); // 0xABSPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* Read a byte from the FLASH */Temp = SPI_FLASH_ReadByte(); // 等價于 Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);/* Deselect the FLASH: Chip Select high */SPI_FLASH_CS_HIGH();return Temp; }

總結

• 1、SPI協議主要寫的就是發送和接收函數，發送和接收的數據需要看外設芯片的數據手冊；
• 2、若MCU支持硬SPI協議，那我們一般用硬spi協議，若用軟的，移植的時候不好移植，因為你不知道你的外設芯片支持哪種spi模式。如果MCU不支持SPI，現在你又需要SPI，這時就可以寫個軟的SPI協議。不過現在芯片一般都支持硬SPI了，除非為了節省成本，你的芯片很Low很Low。
• 軟spi協議很簡單，關于波特率，你不需要太過關系，只要不超過外設芯片的波特率就可以，至于具體是多少Hz，如果不追求速度的話，沒有太大的關系，可以先調通spi，然后在調速。
• 軟SPI協議如下（模式0）： 可以看到，先操作的是數據IO，然后在操作SCK的IO。
  
  請務必參考上面的時序圖，來看下面軟spi模式0對應的代碼，不然不知道原由：

// spi發送函數 void SpiByteWrite(unsigned char dat) { unsigned char mask; for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在前，逐位移出 { if ((mask&dat) != 0) //首先輸出該位數據 Set_MOSI_IO(1); // IO拉高else Set_MOSI_IO(0); // IO拉低Set_SPI_CK(1); //然后拉高時鐘，數據采樣，IO拉高Set_SPI_CK(0); //再拉低時鐘，完成一個位的操作 ，IO拉低} Set_MOSI_IO(1); //最后確保釋放 IO 引腳，IO拉高 } // spi總線上讀取一個字節 unsigned char DS1302ByteRead() { unsigned char mask; unsigned char dat = 0; for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1) //低位在前，逐位讀取 { if (Get_MISO_IO!= 0) //首先讀取此時的 IO 引腳，并設置 dat 中的對應位 { dat |= mask; } Set_SPI_CK(1); //然后拉高時鐘，數據采樣，IO拉高Set_SPI_CK(0); //再拉低時鐘，完成一個位的操作 ，IO拉低} return dat; //最后返回讀到的字節數據 }

• 若其他模式，參考下面的圖片，相信你也能自己寫出對應的軟SPI協議。

在時序上，SPI 比 I2C 簡單多，沒有了起始、停止和應答，和UART一樣， SPI 在通信的時候，只負責通信，不管是否通信成功，而 I2C 卻要通過應答信息來獲取通信成功失敗的信息，所以相對來說，UART 和 SPI 的時序都要比 I2C 簡單一些。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的单片机外设篇——SPI协议的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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