STM32 HAL庫學習筆記4-SPI

• 前言
• 一、SPI協議簡介
• • SPI物理層
  • SPI協議層
  • • 1.基本通訊過程
    • 2. 通訊的起始和停止信號
    • 3. 數據有效性
    • 4. CPOL/CPHA 及通訊模式
• 二、STM32的SPI特性及架構
• • STM32 SPI架構解析
  • • 1.邏輯引腳
    • 2.時鐘控制邏輯
    • 3.數據控制邏輯
    • 4.整體控制邏輯
  • STM32 SPI外設通訊過程
• 三、STM32 HAL庫中的SPI
• • 1.SPI初始化結構體
  • 2.接口函數

原文鏈接：https://blog.csdn.net/kouqi627/article/details/115905924

前言

前邊的幾篇筆記將STM32HAL片內主要外設的用法總結了一下，然而我們需要很多外圍電路進行拓展，比如我們需要外接存儲器進行文件或數據存儲，需要LCD屏進行交互等待，這些外接設備需要和芯片進行通信，這些通信協議是接下來幾篇的內容。

一、SPI協議簡介

SPI 協議是由摩托羅拉公司提出的通訊協議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設備接口，是一種高速全雙工的通信總線。它被廣泛地使用在ADC、LCD 等設備與MCU 間，要求通訊速率較高的場合。

SPI物理層

SPI 通訊使用3 條總線及片選線，3 條總線分別為SCK、MOSI、MISO，片選線為SS
，它們的作用介紹如下：

SS( Slave Select)：從設備選擇信號線，常稱為片選信號線，也稱為NSS、CS，以下用NSS 表示。當有多個SPI
從設備與SPI 主機相連時，設備的其它信號線SCK、MOSI 及MISO 同時并聯到相同的SPI
總線上，即無論有多少個從設備，都共同只使用這3 條總線；而每個從設備都有獨立的這一條NSS
信號線，本信號線獨占主機的一個引腳，即有多少個從設備，就有多少條片選信號線。I2C
協議中通過設備地址來尋址、選中總線上的某個設備并與其進行通訊；而SPI 協議中沒有設備地址，它使用NSS
信號線來尋址，當主機要選擇從設備時，把該從設備的NSS
信號線設置為低電平，該從設備即被選中，即片選有效，接著主機開始與被選中的從設備進行SPI 通訊。所以SPI 通訊以NSS
線置低電平為開始信號，以NSS 線被拉高作為結束信號。

SCK (Serial
Clock)：時鐘信號線，用于通訊數據同步。它由通訊主機產生，決定了通訊的速率，不同的設備支持的最高時鐘頻率不一樣，如STM32
的SPI 時鐘頻率最大為fpclk/2，兩個設備之間通訊時，通訊速率受限于低速設備。

MOSI (Master Output， Slave
Input)：主設備輸出/從設備輸入引腳。主機的數據從這條信號線輸出，從機由這條信號線讀入主機發送的數據，即這條線上數據的方向為主機到從機。

MISO(Master Input,，Slave
Output)：主設備輸入/從設備輸出引腳。主機從這條信號線讀入數據，從機的數據由這條信號線輸出到主機，即在這條線上數據的方向為從機到主機。

SPI協議層

與I2C 的類似，SPI 協議定義了通訊的起始和停止信號、數據有效性、時鐘同步等環
節。

1.基本通訊過程

如圖是一個主機的通訊時序。NSS、SCK、MOSI 信號都由主機控制產生，而MISO 的信號由從機產生，主機通過該信號線讀取從機的數據。MOSI 與MISO 的信號只在NSS 為低電平的時候才有效，在SCK 的每個時鐘周期MOSI 和MISO 傳輸一位數據。

2. 通訊的起始和停止信號

圖中的標號1處，NSS 信號線由高變低，是SPI 通訊的起始信號。NSS 是每個從機各自獨占的信號線，當從機檢在自己的NSS 線檢測到起始信號后，就知道自己被主機選中了，開始準備與主機通訊。圖中的標號6處，NSS 信號由低變高，是SPI 通訊的停止信號，表示本次通訊結束，從機的選中狀態被取消。

3. 數據有效性

SPI 使用MOSI 及MISO 信號線來傳輸數據，使用SCK 信號線進行數據同步。MOSI及MISO 數據線在SCK 的每個時鐘周期傳輸一位數據，且數據輸入輸出是同時進行的。數據傳輸時，MSB 先行或LSB 先行并沒有作硬性規定，但要保證兩個SPI 通訊設備之間使用同樣的協定，一般都會采用圖中的MSB 先行模式。
觀察圖中的2345標號處，MOSI 及MISO 的數據在SCK 的上升沿期間變化輸出，在SCK 的下降沿時被采樣。即在SCK 的下降沿時刻，MOSI 及MISO 的數據有效，高電平時表示數據“1”，為低電平時表示數據“0”。在其它時刻，數據無效，MOSI 及MISO為下一次表示數據做準備。
SPI 每次數據傳輸可以8 位或16 位為單位，每次傳輸的單位數不受限制。

4. CPOL/CPHA 及通訊模式

上面講述的圖中的時序只是SPI 中的其中一種通訊模式，SPI 一共有四種通訊模式，它們的主要區別是總線空閑時SCK 的時鐘狀態以及數據采樣時刻。為方便說明，在此引入“時鐘極性CPOL”和“時鐘相位CPHA”的概念。
時鐘極性CPOL 是指SPI 通訊設備處于空閑狀態時，SCK 信號線的電平信號(即SPI 通訊開始前、 NSS 線為高電平時SCK 的狀態)。CPOL=0 時， SCK 在空閑狀態時為低電平，CPOL=1 時，則相反。
時鐘相位CPHA 是指數據的采樣的時刻，當CPHA=0 時，MOSI 或MISO 數據線上的信號將會在SCK 時鐘線的“奇數邊沿”被采樣。當CPHA=1 時，數據線在SCK的“偶數邊沿”采樣。

如圖是CHPA為0的時序圖，即在時鐘線的奇數邊沿采樣。首先，根據SCK 在空閑狀態時的電平，分為兩種情況。SCK 信號線在空閑狀態為低電平時，CPOL=0；空閑狀態為高電平時，CPOL=1。
無論CPOL=0 還是=1，因為我們配置的時鐘相位CPHA=0，在圖中可以看到，采樣時刻都是在SCK 的奇數邊沿。注意當CPOL=0 的時候，時鐘的奇數邊沿是上升沿，而CPOL=1 的時候，時鐘的奇數邊沿是下降沿。所以SPI 的采樣時刻不是由上升/下降沿決定的。MOSI 和MISO 數據線的有效信號在SCK 的奇數邊沿保持不變，數據信號將在SCK 奇數邊沿時被采樣，在非采樣時刻，MOSI 和MISO 的有效信號才發生切換。
類似地，當CPHA=1 時，不受CPOL 的影響，數據信號在SCK 的偶數邊沿被采樣。如下圖所示。

由CPOL 及CPHA 的不同狀態，SPI 分成了四種模式，見下表，主機與從機需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，實際中采用較多的是“模式0”與“模式3”。

二、STM32的SPI特性及架構

STM32 的SPI 外設可用作通訊的主機及從機，支持最高的SCK 時鐘頻率為fpclk/2，完全支持SPI 協議的4 種模式，數據幀長度可設置為8 位或16 位，可設置數據MSB 先行或LSB 先行。它還支持雙線全雙工(前面說明的都是這種模式)、雙線單向以及單線模式。其中雙線單向模式可以同時使用MOSI 及MISO 數據線向一個方向傳輸數據，可以加快一倍的傳輸速度。而單線模式則可以減少硬件接線，當然這樣速率會受到影響。

STM32 SPI架構解析

1.邏輯引腳

SPI 的所有硬件架構都從圖中左側MOSI、MISO、SCK 及NSS 線展開的。STM32 芯片有多個SPI 外設，它們的SPI 通訊信號引出到不同的GPIO 引腳上，使用時必須配置到這些指定的引腳，具體芯片的引腳復用查詢對應的數據手冊。

2.時鐘控制邏輯

SCK 線的時鐘信號，由波特率發生器根據“控制寄存器CR1‖中的BR[0:2]位控制，該位是對fpclk 時鐘的分頻因子，對fpclk 的分頻結果就是SCK 引腳的輸出時鐘頻率。
其中的fpclk 頻率是指SPI 所在的APB 總線頻率，APB1 為fpclk1，APB2 為fpckl2。通過配置“控制寄存器CR”的“CPOL 位”及“CPHA”位可以把SPI 設置成前面分析的4 種SPI 模式。

3.數據控制邏輯

SPI 的MOSI 及MISO 都連接到數據移位寄存器上，數據移位寄存器的內容來源于接收緩沖區及發送緩沖區以及MISO、MOSI 線。當向外發送數據的時候，數據移位寄存器以“發送緩沖區”為數據源，把數據一位一位地通過數據線發送出去；當從外部接收數據的時候，數據移位寄存器把數據線采樣到的數據一位一位地存儲到“接收緩沖區”中。通過寫SPI 的“數據寄存器DR”把數據填充到發送緩沖區中，通過 “數據寄存器DR”，可以獲取接收緩沖區中的內容。其中數據幀長度可以通過“控制寄存器CR1”的“DFF 位”配置成8 位及16 位模式；配置“LSBFIRST 位”可選擇MSB 先行還是LSB 先行。

4.整體控制邏輯

整體控制邏輯負責協調整個SPI 外設，控制邏輯的工作模式根據我們配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的參數而改變，基本的控制參數包括前面提到的SPI 模式、波特率、LSB先行、主從模式、單雙向模式等等。在外設工作時，控制邏輯會根據外設的工作狀態修改“狀態寄存器(SR)”，我們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。
實際應用中，我們一般不使用STM32 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。

STM32 SPI外設通訊過程

STM32 使用SPI 外設通訊時，在通訊的不同階段它會對“狀態寄存器SR”的不同數據位寫入參數，我們通過讀取這些寄存器標志來了解通訊狀態。
下圖所示為STM32 作為SPI 通訊的主機端時的數據收發過程，采用模式3，空閑狀態為高電平，偶數邊沿觸發。

主模式收發流程及事件說明如下：

控制NSS 信號線，產生起始信號(圖中沒有畫出)；
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；
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；
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；
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。
假如我們使能了TXE 或RXNE 中斷，TXE 或RXNE 置1 時會產生SPI 中斷信號，進入同一個中斷服務函數，到SPI 中斷服務程序后，可通過檢查寄存器位來了解是哪一個事件，再分別進行處理。也可以使用DMA 方式來收發“數據寄存器DR”中的數據。

三、STM32 HAL庫中的SPI

1.SPI初始化結構體

跟其它外設一樣，STM32 HAL 庫提供了SPI 初始化結構體及初始化函數來配置SPI 外設。初始化結構體及函數定義在庫文件“ STM32F4xx_hal_spi.h ” 及“STM32F4xx_hal_spi.c”中，編程時我們可以結合這兩個文件內的注釋使用或參考庫幫助文檔。
代碼如下（示例）：

typedef struct {uint32_t Mode; /*設置SPI 的主/從機端模式*/uint32_t Direction; /*設置SPI 的單雙向模式*/uint32_t DataSize; /*設置SPI 的數據幀長度，可選8/16 位*/uint32_t CLKPolarity; /*設置時鐘極性CPOL，可選高/低電平*/uint32_t CLKPhase; /*設置時鐘相位，可選奇/偶數邊沿采樣 */uint32_t NSS; /*設置NSS 引腳由SPI 硬件控制還是軟件控制*/uint32_t BaudRatePrescaler; /*設置時鐘分頻因子，fpclk/分頻數=fSCK*/uint32_t FirstBit; /*設置MSB/LSB 先行 */uint32_t TIMode; /*指定是否啟用TI 模式*/uint32_t CRCCalculation; /*指定是否啟用CRC 計算*/uint32_t CRCPolynomial; /*設置CRC 校驗的表達式*/ } SPI_InitTypeDef;

這些結構體成員說明如下，其中括號內的文字是對應參數在STM32 HAL 庫中定義的
宏：

• Mode：本成員設置SPI 工作在主機模式(SPI_MODE_MASTER)或從機模式(SPI_MODE_SLAVE
  )，這兩個模式的最大區別為SPI 的SCK 信號線的時序，SCK 的時序是由通訊中的主機產生的。若被配置為從機模式，STM32 的SPI
  外設將接受外來的SCK信號。

• Direction：本成員設置SPI
  的通訊方向，可設置為雙線全雙工(SPI_DIRECTION_2LINES)，雙線只接收(SPI_DIRECTION_2LINES_RXONLY)，單線SPI_DIRECTION_1LINE。

• DataSize：本成員可以選擇SPI 通訊的數據幀大小是為8 位(SPI_DATASIZE_8BIT)還是16
  位(SPI_DATASIZE_16BIT)。

• CLKPolarity 和CLKPhase：這兩個成員配置SPI
  的時鐘極性CLKPolarity和時鐘相位CLKPhase，這兩個配置影響到SPI 的通訊模式。 時鐘極性CLKPolarity 成員，可設置為高電平(SPI_POLARITY_HIGH)或低電平(SPI_POLARITY_LOW )。 時鐘相位CPHA 則可以設置為SPI_PHASE_1EDGE (在SCK 的奇數邊沿采集數據) 或SPI_PHASE_2EDGE (在SCK的偶數邊沿采集數據) 。

• NSS：本成員配置NSS 引腳的使用模式，可以選擇為硬件模式(SPI_NSS_HARD )與軟件模式( SPI_NSS_SOFT
  )，在硬件模式中的SPI 片選信號由SPI 硬件自動產生，而軟件模式則需要我們親自把相應的GPIO 端口拉高或置低產生非片選和片選信號。實際中軟件模式應用比較多。

• BaudRatePrescaler：本成員設置波特率分頻因子，分頻后的時鐘即為SPI 的SCK
  信號線的時鐘頻率。這個成員參數可設置為fpclk 的2、4、6、8、16、32、64、128、256 分頻。

• FirstBit：所有串行的通訊協議都會有MSB 先行(高位數據在前)還是LSB 先行(低位數據在前)的問題，而STM32 的SPI
  模塊可以通過這個結構體成員，對這個特性編程控制。

• TIMode：指定是否啟用TI 模式。可選擇為使能( SPI_TIMODE_ENABLE )與不是能(
  SPI_TIMODE_DISABLE )。

• CRCCalculation和SPI_CRCPolynomial：指定是否啟用CRC 計算，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。

配置完這些結構體成員值，調用庫函數HAL_SPI_Init 即可把結構體的配置寫入到寄存器中，然后調用__HAL_SPI_ENABLE 來使能SPI 外設。
以上這些參數配置均可在CubeMX中完成。

2.接口函數

如下為輪詢查找的接口函數，同樣也有中斷和DMA方式的接口函數。

HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size,uint32_t Timeout); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData,uint16_t Size); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData,uint16_t Size); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAPause(SPI_HandleTypeDef *hspi); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAResume(SPI_HandleTypeDef *hspi); HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAStop(SPI_HandleTypeDef *hspi);

總結

以上是生活随笔為你收集整理的STM32 HAL库学习笔记4-SPI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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