通信协议-04-SPI通信

本文主要是通信协议——SPI通信相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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参考方向	参考原文
驱动开发指南	i.MX6ULL Linux阿尔法开发板资料
STM32开发指南	STM32F1开发指南-库函数版本_V3.3
野火STM32开发指南	STM32库开发实战指南——基于野火霸道开发板 文档 (embedfire.com)

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一、 SPI协议简介

1. 什么是SPI？

SPI 协议，Serial Peripheral Interface ，即串行外围设备接口， 是由摩托罗拉公司提出的通讯协议（ Motorola） 在1980前后提出的一种全双工同步串行通信接口，它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，通信速度最高可达25MHz以上。SPI接口主要应用在EEPROM、 FLASH、实时时钟、网络控制器、 OLED显示驱动器、 AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等与MCU间要求通讯速率较高的场合 。

SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

SPI 时钟频率相比 I2C 要高很多，最高可以工作在上百 MHz。 SPI 以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，一般 SPI 需要 4 根线，但是也可以使用三根线(单向传输) 。

2. 与I2C的对比

功能说明	SPI总线	I2C总线
通信方式	同步 串行 全双工	同步 串行 半双工
通信速度	一般50MHz以下	100KHz、 400KHz、 3.4MHz
从设备选择	引脚片选	设备地址片选
总线接口	MOSI、 MISO、 SCK、 CS	SDA、 SCL

SPI通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（ Master Output Slave Input， MOSI） ， 一条主设备输入与从设备输出（ Master Input Slave Output， MISO） ， 一条时钟信号（ Serial Clock， SCLK） ，一条从设备使能选择（ Chip Select， CS） 。 与I2C类似，协议都比较简单，也可以使用GPIO模拟SPI时序。

SPI可以同时发出和接收数据，因此SPI的理论传输速度比I2C更快。 SPI通过片选引脚选择从机，一个片选一个从机，因此在多从机结构中，需要占用较多引脚，而I2C通过设备地址选择从机，只要设备地址不冲突，始终只需要两个引脚。

二、基本原理简介

• （1）SPI接口一般使用 4 条线通信：

接口名称	说明
MISO	主设备数据输入，从设备数据输出
MOSI	主设备数据输出，从设备数据输入
SCLK	时钟信号，由主设备产生
CS	从设备片选信号，由主设备控制

• （2）主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。
• （3）串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
• （4）外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

三、设备连接

1. 物理拓扑结构

SPI通信设备之间常见的连接方式如下图：

• CS( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为NSS、CS，以下用CS表示。

当有多个SPI从设备与SPI主机相连时， 设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3条总线； 而每个从设备都有独立的这一条CS信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。

I2C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而SPI协议中没有设备地址，它使用CS信号线来寻址， 当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效， 接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以CS线置低电平为开始信号，以CS线被拉高作为结束信号。

• SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步

它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样， 如STM32的SPI时钟频率最大为 fpclk/2 ，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

• MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。

主机的数据从这条信号线输出， 从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

• MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。

主机从这条信号线读入数据， 从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

2. 数据交换

在SCK时钟周期的驱动下， MOSI和MISO同时进行，如下图所示，可以看作一个虚拟的环形拓扑结构。

主机和从机都有一个移位寄存器，主机移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从机的移位寄存器，此时从机移位寄存器的数据也通过MISO传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换。无论主机还是从机，发送和接收都是同时进行的，如同一个“环”。如果主机只对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主机要读取从机数据，需要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。

四、SPI通信过程

1. 通信时序

这里的片选引脚用 NSS 表示了，它与CS是一个意思，前边有说明。

这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。 MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。SPI通信发送是先发高字节再发低字节，接收是先收高字节再收低字节。

2. 起始与停止信号

SPI通信协议图中标号为 ① 和 ⑥ 的地方为起始和停止信号：

• NSS信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号。NSS是每个从机各自独占的信号线， 当从机在自己的NSS线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。

• NSS信号由低变高， 是SPI通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

3. 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， 且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定， 一般都会采用图 SPI通讯时序中的MSB先行模式。SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。

图中的 ②、③、④、⑤标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出，在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻， MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI和MISO为下一次传输数据做准备。

4.四种通信模式

4.1 CPOL与CPHA

SPI 有四种工作模式，通过串行时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式。

CPOL（ Clock Polarity，时钟极性） 表示SCK在空闲时（即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态）为高电平还是低电平。 当CPOL=0， SCK空闲时为低电平， 当CPOL=1， SCK空闲时为高电平。

CPHA（ Clock Phase，时钟相位） 表示SCK在第几个时钟边缘采样数据。 当CPHA=0， 在SCK第一个边沿采样数据，当CPHA=1， 在SCK第二个边沿采样数据。 也可以这样理解，时钟相位CPHA是指数据的采样的时刻，当CPHA=0时， MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样。当CPHA=1时，数据线在SCK的“偶数边沿”采样。 这样搭配下来就会有四种模式：

• CPOL=0，串行时钟空闲状态为低电平。
• CPOL=1，串行时钟空闲状态为高电平，此时可以通过配置时钟相位(CPHA)来选择具体的传输协议。
• CPHA=0，串行时钟的第一个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。
• CPHA=1，串行时钟的第二个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。

SPI模式	CPOL	CPHA	空闲时SCK时钟	采样时刻	说明
0	0	0	低电平	奇数边沿	时钟空闲状态为低电平； 在时钟第一个边沿（上升沿） 采样数据
1	0	1	低电平	偶数边沿	时钟空闲状态为低电平； 在时钟第二个边沿（下降沿） 采样数据
2	1	0	高电平	奇数边沿	时钟空闲状态为高电平； 在时钟第一个边沿（下降沿） 采样数据
3	1	1	高电平	偶数边沿	时钟空闲状态为高电平； 在时钟第二个边沿（上升沿） 采样数据

实际使用较多的是模式0和模式3。

4.2 CPHA = 0

这是 CPHA=0 的时序图：

（1）首先，根据SCK在空闲状态时的电平，分为两种情况。 SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。

（2）无论CPOL=0还是1，由于我们配置的时钟相位CPHA=0，采样时刻都是在SCK的奇数边沿。 注意当CPOL=0的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1的时候，时钟的奇数边沿是下降沿，所以SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。 MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的奇数边沿保持不变，数据信号将在SCK奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和MISO的有效信号才发生切换。

4.3 CPHA = 1

（1）SCK信号线在空闲状态为低电平时， CPOL=0；空闲状态为高电平时， CPOL=1。

（2）与CPHA=0类似，当CPHA=1时，不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样。MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的偶数边沿保持不变，数据信
号将在SCK偶数边沿时被采样，在非采样时刻， MOSI和MISO的有效信号才发生切换。

五、模拟SPI

我们已经了解了SPI的通信协议，那么我们接下来来了解一下如何用软件模拟SPI协议，以加深对SPI协议的理解。这里通过STM32驱动W25QXX为例，做基础的初始化和定义（基于HAL库），不过这里只实现SPI并不做对W25QXX读写的说明。

1. GPIO选择与引脚定义

1.1 宏定义

首先定义SPI传输涉及的四个引脚PA4、 PA5、 PA6、 PA7， 其中MISO（ PA6）为输入引脚，其它全为输出引脚

#define SPIx                             SPI1
#define SPIx_CLK_ENABLE()                __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE()
#define SPIx_SCK_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define SPIx_MISO_GPIO_CLK_ENABLE()      __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() 
#define SPIx_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE()      __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() 
#define W25_CS_GPIO_CLK_ENABLE()         __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() 

#define SPIx_FORCE_RESET()               __HAL_RCC_SPI1_FORCE_RESET()
#define SPIx_RELEASE_RESET()             __HAL_RCC_SPI1_RELEASE_RESET()

#define SPIx_SCK_PIN                     GPIO_PIN_5
#define SPIx_SCK_GPIO_PORT               GPIOA

#define SPIx_MISO_PIN                    GPIO_PIN_6
#define SPIx_MISO_GPIO_PORT              GPIOA

#define SPIx_MOSI_PIN                    GPIO_PIN_7
#define SPIx_MOSI_GPIO_PORT              GPIOA

#define W25_CS_PIN                       GPIO_PIN_4               
#define W25_CS_GPIO_PORT                 GPIOA    

#define SPI_CLK(level)                   HAL_GPIO_WritePin(SPIx_SCK_GPIO_PORT, SPIx_SCK_PIN, level?GPIO_PIN_SET:GPIO_PIN_RESET)                                    
#define SPI_MISO()                       HAL_GPIO_ReadPin(SPIx_MISO_GPIO_PORT, SPIx_MISO_PIN)
#define SPI_MOSI(level)                  HAL_GPIO_WritePin(SPIx_MOSI_GPIO_PORT, SPIx_MOSI_PIN, level?GPIO_PIN_SET:GPIO_PIN_RESET)
#define W25_CS(level)                    HAL_GPIO_WritePin(W25_CS_GPIO_PORT, W25_CS_PIN, level?GPIO_PIN_SET:GPIO_PIN_RESET)

1.2 GPIO初始化

随后将四个GPIO引脚初始化，使能引脚时钟，设置输入/输出模式。 SCK、 MOSI、 CS引脚，始终为输出模式， MISO引脚为数据输入引脚， 始终为输入模式

void SPI_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;

    SPIx_SCK_GPIO_CLK_ENABLE();
    SPIx_MISO_GPIO_CLK_ENABLE();
    SPIx_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE();
    W25_CS_GPIO_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin       = SPIx_SCK_PIN | W25_CS_PIN | SPIx_MOSI_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLUP;
    GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(SPIx_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); // SCK CS MOSI为输出
    
    GPIO_InitStruct.Pin       = SPIx_MISO_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(SPIx_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); // MISO为输入
    
    W25_CS(1);      // CS初始化高
    SPI_CLK(0);     // CLK初始化低
}

2. 延时函数定义

我们既然是模拟SPI，那么就需要手动产生时钟，所以这里当然就需要延时函数啦：

#define SPI_Delay()     us_timer_delay(10)

定时器实现的延时函数，延时时间为 t us，为了缩短时间，这里这是演示，所以就不写具体实现了，具体的我们可以使用定时器来实现us级延时。

3. SPI读写函数

这里假设SPI主机工作在模式0，参考前面的SPI时序。

3.1 写一个字节

/*
 *  函数名：void SPI_WriteByte(uint8_t data)
 *  输入参数：data -> 要写的数据
 *  输出参数：无
 *  返回值：无
 *  函数作用：模拟SPI写一个字节
*/
void SPI_WriteByte(uint8_t data)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t temp = 0;
    
    for(i=0; i<8; i++)
    {
        temp = ((data&0x80)==0x80)? 1:0; // 将data最高位保存到temp
        data = data<<1;       // data左移一位，将次高位变为最高位，用于下次取最高位；
        
        SPI_CLK(0);           // 拉低时钟，即空闲时钟为低电平， CPOL=0
        SPI_MOSI(temp);       // 根据temp值，设置MOSI引脚的电平
        SPI_Delay();          // 简单延时，可以定时器或延时函数实现
        SPI_CLK(1);           // 拉高时钟， W25Q64只支持SPI模式0或1，即会在时钟上升沿采样MOSI数据 CPHA=0
        SPI_Delay();    
    }
    SPI_CLK(0);              // 最后SPI发送完后，拉低时钟，进入空闲状态
}

第 13 - 23 行：SPI写1 Byte，循环8次，每次发送1 Bit。

3.2 读一个字节

/*
 *  函数名：uint8_t SPI_ReadByte(void)
 *  输入参数：
 *  输出参数：无
 *  返回值：读到的数据
 *  函数作用：模拟SPI读一个字节
*/
uint8_t SPI_ReadByte(void)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t read_data = 0xFF;
    
    for(i=0; i<8; i++)
    {
        read_data = read_data << 1;  // “腾空” read_data 最低位， 8次循环后， read_data将高位在前
        
        SPI_CLK(0);    // 拉低时钟，即空闲时钟为低电平；
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);    // 拉高时钟，此时从设备会发送数据，主机稍微延时一会，再读取MISO电平，得知传入数据
        SPI_Delay();
        if(SPI_MISO()==1)
        {
            read_data = read_data + 1;
        }
    }
    SPI_CLK(0);       // 最后SPI读取完后，拉低时钟，进入空闲状态
    return read_data;
}

第 13 - 25 行：SPI读1 Byte，循环8次，每次接收1 Bit。

3.3 读写一个字节

SPI传输可以看作一个虚拟的环形拓扑结构，即输入和输出同时进行。在前面“ SPI_WriteByte()”函数里，发送了1 Byte，也应该接收1 Byte，只是代码中忽略了接收引脚MISO的状态； 在前面“ SPI_ReadByte()”函数里，接收了1 Byte，也应该发送1 Byte，只是代码中忽略了发送引脚MOSI的内容。有些场景， SPI需要同时读写，因此还需要编写SPI同时读写函数，

/*
 *  函数名：uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data)
 *  输入参数：pdata -> 要写的一个字节数据
 *  输出参数：无
 *  返回值：读到的数据
 *  函数作用：模拟SPI读写一个字节
*/
uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t temp = 0;
    uint8_t read_data = 0xFF;

    for(i=0;i<8;i++)
    {
        temp = ((data&0x80)==0x80)? 1:0; // 将data最高位保存到temp；
        data = data<<1;                  // data左移一位，将次高位变为最高位，用于下次取最高位；
        read_data = read_data<<1;        // “腾空” read_data最低位， 8次循环后， read_data将高位在前
        
        SPI_CLK(0);        // 拉低时钟，即空闲时钟为低电平；
        SPI_MOSI(temp);    // 根据temp值，设置MOSI引脚的电平
        SPI_Delay();       
        SPI_CLK(1);        // 拉高时钟，此时从设备会读取MOSI的数据，并写数据到MISO；
        SPI_Delay();
        if(SPI_MISO()==1)  // 读取MISO上的数据，保存到当前read_data最低位
        {
            read_data = read_data + 1;
        }
    }
    SPI_CLK(0);           // 最后SPI读写完后，拉低时钟，进入空闲状态；
    return read_data;
}

第14 - 31行： SPI读和写1 Byte，循环8次，每次发送和接收1 Bit 。