STM32再學(xué)習 -- 工程師眼中的SPI

前些天，有位網(wǎng)友談到通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現SPI通訊。通過(guò)帖子的回復發(fā)現好多網(wǎng)友對SPI通訊還有些疑惑，于是今天就帶著(zhù)大家從SPI的標準協(xié)議，SPI在STM32單片機上的配置及在74HC595邏輯芯片通訊的實(shí)例來(lái)全方面認識一下這個(gè)既復雜又簡(jiǎn)單的通訊協(xié)議。

SPI 是Serial Peripheral Interface的縮寫(xiě)，直譯為串行外圍設備接口，SPI是Motorola公司推出的一種同步串行通訊方式，是一種四線(xiàn)同步總線(xiàn)，因其硬件功能很強，與SPI有關(guān)的軟件就相當簡(jiǎn)單，使MCU有更多的時(shí)間處理其他事務(wù)。這里要說(shuō)明一下，專(zhuān)利在電子行業(yè)還是很關(guān)鍵的，因此，部分其它廠(chǎng)商將SPI通訊協(xié)議更名以規避高昂的專(zhuān)利費，但其硬件處理方式是一樣的，只是換了一個(gè)名稱(chēng)而已，例如德儀單片機里的SSI通訊。

常用的SPI通訊方式是標準四線(xiàn)制，如下圖電路示意圖所示：

MISO：主設備輸入/從設備輸出引腳。該引腳在從模式下發(fā)送數據，在主模式下接收數據。

MOSI：主設備輸出/從設備輸入引腳。該引腳在主模式下發(fā)送數據，在從模式下接收數據。

SCK：串口時(shí)鐘，作為主設備的輸出，從設備的輸入

NSS：從設備選擇。這是一個(gè)可選的引腳，用來(lái)選擇主/從設備。

MOSI腳相互連接，MISO腳相互連接。這樣，數據在主和從之間串行地傳輸(MSB位在前)。通信總是由主設備發(fā)起。主設備通過(guò)MOSI腳把數據發(fā)送給從設備，從設備通過(guò)MISO引腳回傳數據。這意味全雙工通信的數據輸出和數據輸入是用同一個(gè)時(shí)鐘信號同步的;時(shí)鐘信號由主設備通過(guò)SCK腳提供。

比較復雜的是這個(gè)從選擇(NSS)腳。其有兩種模式：軟件NSS模式與硬件NSS模式。

軟件NSS模式下：在該模式下說(shuō)得簡(jiǎn)單一些就是此引腳當作普通的GPIO來(lái)使用。其輸入/輸出的功能與操作GPIO是一樣的。我們通過(guò)STM32來(lái)操作片外設備時(shí)多采用此模式。

硬件NSS模式下：此模式又下分兩種情況：情況一、NSS輸出被使能：當STM32工作為主SPI，并且NSS輸出已經(jīng)使能，這時(shí)NSS引腳被拉低，所有NSS引腳與這個(gè)主SPI的NSS引腳相連并配置為硬件NSS的SPI設備，將自動(dòng)變成從SPI設備;情況二、NSS輸出被關(guān)閉：允許操作于多主環(huán)境。

硬件的連接我們說(shuō)完了，下面我再來(lái)介紹時(shí)鐘線(xiàn)與信號線(xiàn)。

在學(xué)習數字邏輯電路時(shí)，我們都聽(tīng)老師講過(guò)數據的鎖存方式，例如上升沿鎖存等。我們的SPI通訊方式在硬件上非常靈活的處理數據鎖存方式，通過(guò)兩個(gè)參數的配置提供了四種不同的數據傳輸模式，如下圖所示：

從上圖我們可以看出，當CPHA置高時(shí)，其數據鎖存在第二個(gè)時(shí)鐘邊沿;CPHA清零時(shí)，數據鎖存在第一個(gè)時(shí)鐘邊沿。而CPOL參數置高時(shí)，數據鎖存在時(shí)鐘信號的下降沿，時(shí)鐘線(xiàn)空閑狀態(tài)為常高，反之，數據鎖存在時(shí)鐘信號的上升沿，空閑狀態(tài)為常低。

對于數據的發(fā)送過(guò)程，幀格式也是可以修改的，例如可以選擇MSB方式(最高位先發(fā)送)或是LSB方式(最低位先發(fā)送)，還可以選擇插入CRC校驗的方式等，這里對于這些高級的應用，由于本文片幅有限就不再詳細講解了。

接下來(lái)，我們通過(guò)STM32單片機對于SPI外設的初始化過(guò)程再來(lái)看一下SPI的硬件標準。

void SPI_init(void)

{

RCC_APB2PeriphClockCmd(sFLASH_CS_GPIO_CLK | sFLASH_SPI_MOSI_GPIO_CLK | sFLASH_SPI_MISO_GPIO_CLK |

sFLASH_SPI_SCK_GPIO_CLK, ENABLE);

/*! 配置SPI的外設時(shí)鐘，并使能 */

RCC_APB2PeriphClockCmd(sFLASH_SPI_CLK, ENABLE);

/*! 配置SCK引腳 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = sFLASH_SPI_SCK_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //此處根據具體應用而設置，例如可配置為開(kāi)漏輸出

GPIO_Init(sFLASH_SPI_SCK_GPIO_PORT, GPIO_InitStructure);

/*! 配置MOSI引腳 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = sFLASH_SPI_MOSI_PIN;

GPIO_Init(sFLASH_SPI_MOSI_GPIO_PORT, GPIO_InitStructure);

/*! 配置MISO引腳 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = sFLASH_SPI_MISO_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_Init(sFLASH_SPI_MISO_GPIO_PORT, GPIO_InitStructure);

/*! 配置NSS引腳為GPIO輸出 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = sFLASH_CS_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_Init(sFLASH_CS_GPIO_PORT, GPIO_InitStructure);

/*! SPI配置 */

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //數據線(xiàn)兩線(xiàn)，雙向全雙半

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //CPOL置高，時(shí)鐘線(xiàn)在閑時(shí)常高，下降沿鎖存數據

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //CPHA置高，則第二個(gè)時(shí)鐘沿鎖存數據

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //從引腳為軟件配置方式

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4; //SPI時(shí)鐘頻率為4分頻

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //MSB最高位優(yōu)先發(fā)送

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC檢驗公式選擇第7項

SPI_Init(sFLASH_SPI, SPI_InitStructure);

/*! 使能SPI */

SPI_Cmd(sFLASH_SPI, ENABLE);

}

上面的源代碼是示例是ST公司操作SPI flash的Demo示例。我們再以74HC595芯片的硬件操作操作來(lái)配置，初始化SPI外設。

我們先來(lái)看一下74HC595的硬件操作時(shí)序圖：

從上圖，我們可以看出，時(shí)鐘線(xiàn)(SH_CP)在空閑狀態(tài)為常低，并且為第一個(gè)時(shí)鐘沿的上升沿鎖存數據。因此，我們需要將上面配置初始化的兩個(gè)參數修改為如下：

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //CPOL置高，時(shí)鐘線(xiàn)在閑時(shí)常低，上降沿鎖存數據

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; //CPHA清零，則第一個(gè)時(shí)鐘沿鎖存數據

其它參數不做修改即可。上述源代碼已經(jīng)通過(guò)STM32F103與8片74HC595串聯(lián)實(shí)驗通過(guò)，示例完整工程源代碼可以到電子產(chǎn)品世界論壇片自行查找、下載。

標準四線(xiàn)的SPI通訊不僅為我們節省了寶貴的單片機引腳數，而且其規范的硬件協(xié)議也為我們嵌入式軟件編程提供了極大的便利。豐富的外圍器件支持，例如SPI的flash存儲，SPI接口的SD讀卡器，SPI接口的網(wǎng)絡(luò )通訊模塊都已經(jīng)非常普及，可以看到應用好外設SPI通訊已經(jīng)成為一名工程師必要的技能之一。