STM32學習筆記（15）——SPI協議

• • 一、SPI協議簡介
  • • 1. 物理層
    • 2. 協議層
    • • （1） 通訊的開始與停止
      • （2）時鐘極性CPOL、時鐘相位CPHA
  • 二、STM32的SPI外設
  • • 1. 通訊引腳
    • 2. 時鐘控制邏輯
    • 3. 數據控制邏輯
    • 4. 整體控制邏輯
    • 5. STM32的SPI通訊過程
    • • （1）從主機發送數據到從機的詳細過程（以 CPHA=1、CPOL=1 為例）
      • （2）從從機接收數據到主機的詳細過程（以 CPHA=1、CPOL=1 為例）
  • 三、SPI的初始化結構體和庫函數
  • • 1. SPI的初始化結構體
    • 2. SPI的常用庫函數

一、SPI協議簡介

SPI（Serial Peripheral Interface）即串行外設總線接口，是由摩托羅拉公司提出的一種高速通訊協議，采用全雙工、同步通信方式。其通訊協議較 I2C 簡單，常常在單片機系統和一些要求通訊速率較高的場合中應用。

1. 物理層

SPI的物理層由一個主機和一個或多個從機組成。主機和每臺從機之間均有 4 條線組成，其中 SCK、MISO、MOSI 這三條線是共用的，而 SS 線是每臺從機與主機單獨連接。下面來一一介紹這 4 條線（信號）：

• SS/NSS/CS（片選信號）：每個從機都有一條單獨的 SS 線與主機相連。當主機要選中某臺從機進行通訊時，需要發送低電平信號給從機的 SS，從機的片選信號有效，即從機被選中，接著主機開始與從機進行 SPI 通訊。當 SS 信號為高電平時，從機片選信號為禁止，此時通訊結束。因此，SPI 通訊以 SS 為低電平信號開始，以高電平信號結束。

• SCK/SCLK（時鐘信號）：主機產生時鐘信號，用于通訊的同步。它決定了通訊的速率，兩個設備進行通訊時，通訊速率會受限于低速設備。需要注意的是，只有主機控制時鐘信號，從機的時鐘完全由主機提供，當時鐘信號發生跳變時，從機才會采集數據；當沒有發生跳變時，從機不會采集數據。另外，SPI 協議并沒有硬性規定時鐘的頻率范圍是多少，這也是 SPI 協議的通訊速率快的原因。通訊狀態下 SCK 處于互補推挽輸出狀態；空閑狀態下處于高阻態。

• MOSI（Master Output & Slave Input，主設備輸出/從設備輸入）：主機的數據從 MOSI 線輸出后，從機從 MOSI 線讀入數據，此時的通訊方向為從主機到從機。通訊狀態下 MOSI 處于互補推挽輸出狀態；空閑狀態下處于高阻態。

• MISO（Master Input & Slave Output，主設備輸入/從設備輸出）：從機的數據從 MISO 線輸出后，主機從 MISO 線讀入數據，此時的通訊方向為從從機到主機。對于主機而言，MISO 總是處于高阻輸入狀態。

2. 協議層

下圖為 SPI 協議通訊圖，為方便說明已在圖中標出紅色數字：

（1） 通訊的開始與停止

標號 1 處是NSS信號由高電平跳變為低電平，說明SPI通訊開始。當從機檢測到 NSS 信號變為低電平后，就知道自己被主機選中了，開始與主機進行通訊。

標號 6 處是NSS信號由低電平跳變為高電平，說明SPI通訊結束。當從機檢測到 NSS 信號變為高電平后，就知道自己的選中狀態被取消了，結束與主機進行通訊。

（2）時鐘極性CPOL、時鐘相位CPHA

SPI 傳輸協議中一個很重要的問題是：傳輸的數據是什么時候被采集呢？是上升沿還是下降沿呢？這個與時鐘極性和時鐘相位有關，首先來介紹一下兩者的功能。

• 時鐘極性CPOL：SCLK 在空閑狀態下是一直為高電平或低電平的，通過時鐘極性 CPOL 可以控制空閑時 SCLK 的極性，進而決定了起始信號與停止信號的觸發方式。當 CPOL = 0 時，空閑狀態下的 SCLK 處于低電平，起始信號由 SCLK 的上升沿觸發，停止信號由 SCLK 的下降沿觸發；當 CPOL = 1 時，空閑狀態下的 SCLK 處于高電平，起始信號由 SCLK 的下降沿觸發，停止信號由 SCLK 的上升沿觸發。

• 時鐘相位CPHA：數據的采集可以在 SCLK 的上升沿觸發，也可以在下降沿觸發，通過時鐘相位 CPHA 可以控制 MISO 和 MOSI 數據采樣的觸發方式。當 CPHA = 0 時，數據采樣發生在 SCLK 的奇數邊沿，偶數邊沿則切換到下一位數據；當 CPHA = 1 時，數據采樣發生在 SCLK的偶數邊沿，奇數邊沿則切換到下一位數據。

按照這種方式，CPHA 和 CPOL 共同決定了數據采樣時的觸發邊沿。下面我們來看看兩者是如何影響數據采樣的觸發方式的：

如上圖所示，當 CPHA = 0，CPOL = 0 時，數據采樣發生在上升沿，切換數據位則發生在下降沿；當 CPHA = 0，CPOL = 1 時，數據采樣發生在下降沿，切換數據位則發生在上升沿。空閑狀態時 SCLK 始終為低電平。

如上圖所示，當 CPHA = 1，CPOL = 0 時，數據采樣發生在下降沿，切換數據位則發生在上升沿；當 CPHA = 1，CPOL = 1 時，數據采樣發生在上升沿，切換數據位則發生在下降沿。空閑狀態時 SCLK 始終為高電平。

因此，SPI 實際上被分為了四種不同的工作狀態，我們以表格形式總結一下：

SPI模式CPHA（時鐘相位）CPOL（時鐘極性）數據采樣發生在SCLK空閑時的SCLK

0	0	0	上升沿	低電平
1	0	1	下降沿	高電平
2	1	0	上升沿	低電平
3	1	1	下降沿	高電平

通常情況下，模式 0 和模式 3 用的較多。只有主機和從機采用相同的模式才能夠正常通訊。

二、STM32的SPI外設

STM32 有多個 SPI 外設，STM32F10x 系列就擁有 3 個 SPI。SPI 的功能框圖如下圖所示：

1. 通訊引腳

SPI 一共有 4 個引腳，不同 SPI 對應的引腳也不同：

引腳SPI1SPI2SPI3

NSS	PA4	PB12	PA15下載口的TDI
CLK	PA5	PB13	PB3下載口的TDO
MISO	PA6	PB14	PB4下載口的NTRST
MOSI	PA7	PB15	PB5

實際應用中，一般不使用 SPI 外設的標準 NSS 信號線，而是更簡單地使用普通的 GPIO，軟件控制它的電平輸出，從而產生通訊起始和停止信號。

注意 SPI3 中有些引腳與 SWD 下載引腳重合了，這對我們使用和學習有影響，因此在做 SPI 實驗時應避免使用 SPI3。STM32中文參考手冊也對此給出了提示：

警告：由于SPI3/I2S3的部分引腳與JTAG引腳共享(SPI3_NSS/I2S3_WS與JTDI，SPI3_SCK/I2S3_CK與JTDO)，因此這些引腳不受IO 控制器控制，他們(在每次復位后)被默認保留為被默認保留為JTAG用途。如果用戶想把引腳配置給SPI3/I2S3必須(在調試時)關閉JTAG并切換至SWD接口，或者(在標準應用時)同時關閉JTAG和SWD接口。

2. 時鐘控制邏輯

之前說過，時鐘信號由 SCK 提供，而 SCK 又是由波特率發生器提供，它是由控制寄存器SPI_CR1的BR[2:0] 控制。可以得知：波特率與PCLK（即APB）的頻率有關。

那么如何確定 PCLK 的值呢？我們可以查看總線架構圖：

如圖所示，SPI1 掛載到 APB1（即PCLK1），SPI2、SPI3掛載到 APB2（即PCLK2）。對于 SPI1，因為 APB1 最高為 36MHz，所以 SPI1 時鐘最高為36MHz / 2 = 18MHz；對于SPI2、SPI3，因為 APB2 最高為 72MHz，所以兩者時鐘最高為72MHz / 2 = 36MHz。

3. 數據控制邏輯

SPI 的 MOSI 及 MISO 都連接到數據移位寄存器上，數據移位寄存器的數據來源來源于接收緩沖區及發送緩沖區。

數據寄存器SPI_DR 對應兩個緩沖區：一個用于寫（發送緩沖）；另外一個用于讀（接受緩沖）。寫操作將數據寫到發送緩沖區；讀操作將返回接收緩沖區里的數據。

我們可以通過寫數據寄存器SPI_DR 把數據填充到發送緩沖區中；通過讀數據寄存器SPI_DR，可以獲取接收緩沖區中的內容。

數據幀長度可以通過控制寄存器SPI_CR1的DFF位配置成8位及16位模式；而 LSBFIRST位可配置移位寄存器的發送方向：選擇 MSB（高位數據）發送還是 LSB（低位數據）先發送。

4. 整體控制邏輯

控制邏輯根據外設的工作狀態修改狀態寄存器SPI_SR，只要讀取狀態寄存器相關的寄存器位，就可以了解 SPI 的工作狀態了。除此之外，控制邏輯還根據要求，負責控制產生 SPI 中斷信號、DMA 請求及控制 NSS 信號線。

5. STM32的SPI通訊過程

當 STM32 作為主機時，與從機的通訊過程如下圖：

首先需要知道一個大概的過程：主機輸出的數據都要通過緩沖區（對應數據寄存器SPI_DR）才能進入移位寄存器，最后再發送；主機讀入的數據都要通過移位寄存器，再移入緩沖區。因此，緩沖區和移位寄存器中的數據在同一時刻是不一樣的，它們正好相差了一次通信時間。

（1）從主機發送數據到從機的詳細過程（以 CPHA=1、CPOL=1 為例）

• 往發送緩沖區（即數據寄存器SPI_DR）寫入一個數據（比如圖中的 0XF1），此時觸發 SCK 信號進入忙碌狀態。此時狀態寄存器SPI_SR的BSY（忙標志，Busy flag）位為 1，表示 SPI 開始通信；TXE（發送緩沖為空，Transmit buffer empty）位為 0，表示發送緩沖非空。
• 由于移位寄存器還沒有數據，因此發送緩沖區很快將數據 0xF1 轉移到移位寄存器中。此時TXE位為 1，表示發送緩沖為空。移位寄存器將數據一位一位傳到 MOSI 線。
• 等待至TXE位為 1后，軟件往發送緩沖區寫入第二個數據（比如 0xF2），TXE位變為 0，表示發送緩沖非空。由于移位寄存器還沒將前一個數據 0xF1 全部發送出去，因此新數據 0xF2 暫時存到緩沖區。
• 前一個數據發送完畢后，新數據 0xF2 轉移到移位寄存器中，此時TXE位為 1，表示發送緩沖為空。移位寄存器將數據一位一位傳到 MOSI 線。
• 如此往復：等待TXE位由0變為 1，軟件往發送緩沖區寫入新數據，前一個數據發送完，新數據就往移位寄存器補，并將其一位一位發出去。發送出去的數據總比新寫入緩沖區的數據少一次發送周期。

（2）從從機接收數據到主機的詳細過程（以 CPHA=1、CPOL=1 為例）

• 必須先使 SPI 啟動（即讓 SCK 處于忙碌狀態），才能接收數據。因此，需要先往發送緩沖隨意寫入一個數據，以觸發 SCK 信號進入忙碌狀態。寫入數據后，狀態寄存器SPI_SR的BSY位為 1，表示 SPI 開始通信；RXNE（接收緩沖非空，Receive buffer not empty）位為 0，表示接收緩沖為空。
• 移位寄存器一位位接收到從 MISO 來的數據 0xA1，將數據轉移到接收緩沖區中，然后進行下一次數據接收；此時RXNE位為 1，表示接收緩沖非空，表明軟件可以開始讀取數據 0xA1。
• 待數據讀取完后，RXNE位為 0，表示接收緩沖為空。此時移位寄存器將新數據 0xA2 轉移到接收緩沖區中，RXNE位為 1，表示接收緩沖非空，表明軟件可以開始讀取數據 0xA2
• 如此往復：移位寄存器一位位接收數據，然后將數據轉移到接收緩沖區，然后繼續接收下一次數據；軟件等待RXNE位由 0 變為 1 后，從接收緩沖區讀取數據。接收到的數據總比新讀取緩沖區的數據多一個發送周期。

三、SPI的初始化結構體和庫函數

1. SPI的初始化結構體

以下為 SPI 的結構體定義：

typedef struct {uint16_t SPI_Direction; /*!< 配置 SPI 的單/雙向模式 */uint16_t SPI_Mode; /*!< 配置 SPI 的主/從機模式 */uint16_t SPI_DataSize; /*!< 配置 SPI 的數據幀長度（8/16位） */uint16_t SPI_CPOL; /*!< 配置 SPI 的時鐘極性（高/低電平） */uint16_t SPI_CPHA; /*!< 配置 SPI 的時鐘相位（奇/偶邊沿采樣） */uint16_t SPI_NSS; /*!< 配置 SPI 的 NSS 引腳由軟件控制還是硬件控制 */uint16_t SPI_BaudRatePrescaler; /*!< 配置 SPI 的時鐘分頻因子 */uint16_t SPI_FirstBit; /*!< 配置數據是高位先行（MSB）或低位先行（LSB） */uint16_t SPI_CRCPolynomial; /*!< 配置 CRC 校驗表達式 */ }SPI_InitTypeDef;

• SPI_Direction（單/雙向模式）：可配置為雙線全雙工、雙線只接收、單線只接收、單線只發送模式。
• SPI_Mode（主/從機模式）：若配置為主機模式，則 STM32 將提供 SCLK 時序信號；若配置為從機模式，則 STM32 將接收外來的 SCLK 信號。
• SPI_DataSize（數據幀長度）：可配置 8 位數據幀或 16 位數據幀。
• SPI_CPOL（時鐘極性）和SPI_CPHA（時鐘相位）：可參考 SPI 相關頭文件和本文章的相關內容，不再贅述。
• SPI_NSS（NSS引腳使用模式）：若選擇硬件模式，則 SPI 片選信號由 SPI 硬件自動產生；若軟件模式，則需要手動把相應的 GPIO 端口置 1 或置 0 以產生禁止片選或允許片選信號。
• SPI_BaudRatePrescaler（時鐘分頻因子）：可設置為 PCLK 的 2、4、6、8、16、32、64、128、256分頻。
• SPI_FirstBit（數據先行模式）：不再贅述。
• SPI_CRCPolynomial（CRC校驗）：這是 SPI 的 CRC 校驗中的多項式，若我們使用 CRC 校驗時，就使用這個成員的參數(多項式)，來計算 CRC 的值。

2. SPI的常用庫函數

// 與初始化相關： void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct); void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);// 與接收、發送數據相關： void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data); uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx);// 與標志位相關： FlagStatus SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG); void SPI_I2S_ClearFlag(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t SPI_I2S_FLAG);// 與中斷標志位相關： ITStatus SPI_I2S_GetITStatus(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT); void SPI_I2S_ClearITPendingBit(SPI_TypeDef* SPIx, uint8_t SPI_I2S_IT);

未完待續···

總結

以上是生活随笔為你收集整理的STM32学习笔记（15）——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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