目錄

先說串口

SPI通訊協議

SPI特性

模式編號

多從機模式

優(yōu)缺點

編程實現

先說串口

之前寫過一篇UART，通用串行異步通訊協議，感興趣可以參考一下《我打賭！你還不會UART》；因為UART沒有時鐘信號，無法控制何時發(fā)送數據，也無法保證雙發(fā)按照完全相同的速度接收數據。因此，雙方以不同的速度進行數據接收和發(fā)送，就會出現問題。

如果要解決這個問題，UART為每個字節(jié)添加額外的起始位和停止位，以幫助接收器在數據到達時進行同步；

雙方還必須事先就傳輸速度達成共識（設置相同的波特率，例如每秒9600位）。

傳輸速率如果有微小差異不是問題，因為接收器會在每個字節(jié)的開頭重新同步。相應的協議如下圖所示；

串口傳輸的過程

如果您注意到上圖中的11001010不等于0x53，這是一個細節(jié)。串口協議通常會首先發(fā)送最低有效位，因此最小位在最左邊LSB。低四位字節(jié)實際上是0011 ＝ 0x3，高四位字節(jié)是0101 ＝ 0x5。

異步串行工作得很好，但是在每個字節(jié)發(fā)送的時候都需要額外的起始位和停止位以及在發(fā)送和接收數據所需的復雜硬件方面都有很多開銷。

不難發(fā)現，如果接收端和發(fā)送端設置的速度都不一致，那么接收到的數據將是垃圾（亂碼）。

下面開始講一下SPI協議，會有哪些優(yōu)點。

SPI通訊協議

于是我們想有沒有更好一點的串行通訊方式；相比較于UART，SPI的工作方式略有不同。

SPI是一個同步的數據總線，也就是說它是用單獨的數據線和一個單獨的時鐘信號來保證發(fā)送端和接收端的完美同步。

時鐘是一個振蕩信號，它告訴接收端在確切的時機對數據線上的信號進行采樣。

產生時鐘的一側稱為主機，另一側稱為從機�？偸侵挥幸粋�主機（一般來說可以是微控制器／MCU），但是可以有多個從機（后面詳細介紹）；

數據的采集時機可能是時鐘信號的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低）。

具體要看對SPI的配置；

整體的傳輸大概可以分為以下幾個過程：

主機先將NSS信號拉低，這樣保證開始接收數據；

當接收端檢測到時鐘的邊沿信號時，它將立即讀取數據線上的信號，這樣就得到了一位數據（1bit）；

由于時鐘是隨數據一起發(fā)送的，因此指定數據的傳輸速度并不重要，盡管設備將具有可以運行的最高速度（稍后我們將討論選擇合適的時鐘邊沿和速度）。

主機發(fā)送到從機時：主機產生相應的時鐘信號，然后數據一位一位地將從MOSI信號線上進行發(fā)送到從機；

主機接收從機數據：如果從機需要將數據發(fā)送回主機，則主機將繼續(xù)生成預定數量的時鐘信號，并且從機會將數據通過MISO信號線發(fā)送；

具體如下圖所示；

SPI的時序

注意，SPI是“全雙工”（具有單獨的發(fā)送和接收線路），因此可以在同一時間發(fā)送和接收數據，另外SPI的接收硬件可以是一個簡單的移位寄存器。這比異步串行通信所需的完整UART要簡單得多，并且更加便宜；

SPI特性

SPI總線包括4條邏輯線，定義如下：

MISO：Master input slave output 主機輸入，從機輸出（數據來自從機）；

MOSI：Master output slave input 主機輸出，從機輸入（數據來自主機）；

SCLK ：Serial Clock 串行時鐘信號，由主機產生發(fā)送給從機；

SS：Slave Select 片選信號，由主機發(fā)送，以控制與哪個從機通信，通常是低電平有效信號。

其他制造商可能會遵循其他命名規(guī)則，但是最終他們指的相同的含義。以下是一些常用術語；

MISO也可以是SIMO，DOUT，DO，SDO或SO（在主機端）；

MOSI也可以是SOMI，DIN，DI，SDI或SI（在主機端）；

NSS也可以是CE，CS或SSEL；

SCLK也可以是SCK；

本文將按照以下命名進行講解［MISO， MOSI， SCK，NSS］

下圖顯示了單個主機和單個從機之間的典型SPI連接。

主從連接時鐘頻率

SPI總線上的主機必須在通信開始時候配置并生成相應的時鐘信號。在每個SPI時鐘周期內，都會發(fā)生全雙工數據傳輸。

主機在MOSI線上發(fā)送一位數據，從機讀取它，而從機在MISO線上發(fā)送一位數據，主機讀取它。

就算只進行單向的數據傳輸，也要保持這樣的順序。這就意味著無論接收任何數據，必須實際發(fā)送一些東西！在這種情況下，我們稱其為虛擬數據；

從理論上講，只要實際可行，時鐘速率就可以是您想要的任何速率，當然這個速率受限于每個系統能提供多大的系統時鐘頻率，以及最大的SPI傳輸速率。

時鐘極性 CKP／Clock Polarity

除了配置串行時鐘速率（頻率）外，SPI主設備還需要配置時鐘極性。

根據硬件制造商的命名規(guī)則不同，時鐘極性通常寫為CKP或CPOL。時鐘極性和相位共同決定讀取數據的方式，比如信號上升沿讀取數據還是信號下降沿讀取數據；

CKP可以配置為1或0。這意味著您可以根據需要將時鐘的默認狀態(tài)（IDLE）設置為高或低。極性反轉可以通過簡單的邏輯逆變器實現。您必須參考設備的數據手冊才能正確設置CKP和CKE。

CKP ＝ 0：時鐘空閑IDLE為低電平 0；CKP ＝ 1：時鐘空閑IDLE為高電平1；時鐘相位 CKE ／Clock Phase （Edge）

除配置串行時鐘速率和極性外，SPI主設備還應配置時鐘相位（或邊沿）。根據硬件制造商的不同，時鐘相位通常寫為CKE或CPHA；

顧名思義，時鐘相位／邊沿，也就是采集數據時是在時鐘信號的具體相位或者邊沿；

CKE ＝ 0：在時鐘信號SCK的第一個跳變沿采樣；CKE ＝ 1：在時鐘信號SCK的第二個跳變沿采樣；時鐘配置總結

綜上幾種情況，下圖總結了所有時鐘配置組合，并突出顯示了實際采樣數據的時刻；

其中黑色線為采樣數據的時刻；

藍色線為SCK時鐘信號；

具體如下圖所示；

模式編號

SPI的時鐘極性和相位的配置通常稱為 SPI模式，所有可能的模式都遵循以下約定；具體如下表所示；

SPI ModeCPOLCPHA0  ［00］001  ［01］012  ［10］103  ［11］11

除此之外，我們還應該仔細檢查微控制器數據手冊中包含的模式表，以確保一切正常。

多從機模式

前面說到SPI總線必須有一個主機，可以有多個從機，那么具體連接到SPI總線的方法有以下兩種：

第一種方法：多NSS

通常，每個從機都需要一條單獨的SS線。如果要和特定的從機進行通訊，可以將相應的NSS信號線拉低，并保持其他NSS信號線的狀態(tài)為高電平；如果同時將兩個NSS信號線拉低，則可能會出現亂碼，因為從機可能都試圖在同一條MISO線上傳輸數據，最終導致接收數據亂碼。

具體連接方式如下圖所示；

多NSS連接

第二種方法：菊花鏈

在數字通信世界中，在設備信號（總線信號或中斷信號）以串行的方式從一 個設備依次傳到下一個設備，不斷循環(huán)直到數據到達目標設備的方式被稱為菊花鏈。

菊花鏈的最大缺點是因為是信號串行傳輸，所以一旦數據鏈路中的某設備發(fā)生故障的時候，它下面優(yōu)先級較低的設備就不可能得到服務了；另一方面，距離主機越遠的從機，獲得服務的優(yōu)先級越低，所以需要安排好從機的優(yōu)先級，并且設置總線檢測器，如果某個從機超時，則對該從機進行短路，防止單個從機損壞造成整個鏈路崩潰的情況；

具體的連接如下圖所示；

菊花鏈連接

其中紅線加粗為數據的流向；

所以最終的數據流向圖可以表示為：

數據流圖

SCK為時鐘信號，8clks表示8個邊沿信號；

其中D為數據，X為無效數據；

所以不難發(fā)現，菊花鏈模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整個鏈充當通信移位寄存器，每個從機在下一個時鐘周期將輸入數據復制到輸出。

優(yōu)缺點SPI通訊的優(yōu)勢

使SPI作為串行通信接口脫穎而出的原因很多；

全雙工串行通信；高速數據傳輸速率。簡單的軟件配置；極其靈活的數據傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字；非常簡單的硬件結構。從站不需要唯一地址（與I2C不同）。從機使用主機時鐘，不需要精密時鐘振蕩器／晶振（與UART不同）。不需要收發(fā)器（與CAN不同）。SPI的缺點沒有硬件從機應答信號（主機可能在不知情的情況下無處發(fā)送）；通常僅支持一個主設備；需要更多的引腳（與I2C不同）；沒有定義硬件級別的錯誤檢查協議；與RS－232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離；編程實現

下面是通過STM32的cubemx自動生成的HAL庫代碼，比較簡單，截取了其中一部分，具體如下；

static void MX＿SPI1＿Init（void）
｛
   hspi1．Instance ＝ SPI1；
   hspi1．Init．Mode ＝ SPI＿MODE＿MASTER；    ／／主機模式
   hspi1．Init．Direction ＝ SPI＿DIRECTION＿2LINES； ／／全雙工
   hspi1．Init．DataSize ＝ SPI＿DATASIZE＿8BIT；  ／／數據位為8位
   hspi1．Init．CLKPolarity ＝ SPI＿POLARITY＿LOW；  ／／CPOL＝0
   hspi1．Init．CLKPhase ＝ SPI＿PHASE＿1EDGE；   ／／CPHA為數據線的第一個變化沿
   hspi1．Init．NSS ＝ SPI＿NSS＿SOFT；     ／／軟件控制NSS
   hspi1．Init．BaudRatePrescaler ＝ SPI＿BAUDRATEPRESCALER＿2；／／2分頻，32M／2＝16MHz
   hspi1．Init．FirstBit ＝ SPI＿FIRSTBIT＿MSB；   ／／最高位先發(fā)送
   hspi1．Init．TIMode ＝ SPI＿TIMODE＿DISABLE；   ／／TIMODE模式關閉
   hspi1．Init．CRCCalculation ＝ SPI＿CRCCALCULATION＿DISABLE；／／CRC關閉
   hspi1．Init．CRCPolynomial ＝ 10；     ／／默認值，無效
   if （HAL＿SPI＿Init（＆hspi1） ！＝ HAL＿OK）    ／／初始化
   ｛
       ＿Error＿Handler（＿＿FILE＿＿， ＿＿LINE＿＿）；
   ｝
｝
   
／／發(fā)送數據
HAL＿StatusTypeDef  
HAL＿SPI＿Transmit（SPI＿HandleTypeDef ＊hspi，
                uint8＿t ＊pData，
                uint16＿t Size，
                uint32＿t Timeout）；
／／接收數據
HAL＿StatusTypeDef  
HAL＿SPI＿Receive（SPI＿HandleTypeDef ＊hspi，
               uint8＿t ＊pData，
               uint16＿t Size，
               uint32＿t Timeout）；

－THE END－