SPI通信协议

  SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口， 是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的场合。
  学习本章时，可与I2C章节对比阅读，体会两种通讯总线的差异以及EEPROM存储器与FLASH存储器的区别。下面我们分别对SPI协议的物理层及协议层进行讲解。

SPI物理层

SPI通讯设备之间的常用连接方式见图

  SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为SS，它们的作用介绍如下：

(1) SS ( 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NSS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NSS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NSS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NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 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。

SPI协议层

与I2C的类似，SPI协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

SPI基本通讯过程

先看看SPI通讯的通讯时序，

  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。

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

1.通讯的起始和停止信号

  在图 SPI通讯时序 中的标号处，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。在图中的标号处，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。

2.数据有效性

MSB高位先行，LSB低位先行

  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。
  观察图中的标号处，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及MISO为下一次表示数据做准备。
  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。

3.CPOL/CPHA及通讯模式

  上面讲述的图 SPI通讯时序 中的时序只是SPI中的其中一种通讯模式，SPI一共有四种通讯模式， 它们的主要区别是总线空闲时SCK的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性CPOL”和“时钟相位CPHA”的概念。

  时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号(即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态)。CPOL=0时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1时，则相反。
  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。见图 CPHA = 0时的SPI通讯模式 及图 CPHA = 1时的SPI通讯模式 。

  我们来分析这个CPHA=0的时序图。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。
  无论CPOL=0还是=1，因为我们配置的时钟相位CPHA=0，在图中可以看到，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。
  类似地，当CPHA=1时，不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样，见图 CPHA=1时的SPI通讯模式_ 。

  由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，见表 SPI的四种模式 ， 主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。

STM32的SPI特性及架构

与I2C外设一样，STM32芯片也集成了专门用于SPI协议通讯的外设。

1.STM32的SPI外设简介

  STM32的SPI外设可用作通讯的主机及从机， 支持最高的SCK时钟频率为fpclk/2 (STM32F103型号的芯片默认fpclk1为36MHz， fpclk2为72MHz)，完全支持SPI协议的4种模式，数据帧长度可设置为8位或16位， 可设置数据MSB先行或LSB先行。它还支持双线全双工(前面小节说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。 其中双线单向模式可以同时使用MOSI及MISO数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线， 当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。

2. STM32的SPI架构剖析

1.通讯引脚

  SPI的所有硬件架构都从图 SPI架构图 中左侧MOSI、MISO、SCK及NSS线展开的。STM32芯片有多个SPI外设， 它们的SPI通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表 STM32F10x的SPI引脚 。 关于GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F10x规格书》，以它为准。

  其中SPI1是APB2上的设备，最高通信速率达36Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的设备，最高通信速率为18Mbits/s。除了通讯速率， 在其它功能上没有差异。其中SPI3用到了下载接口的引脚，这几个引脚默认功能是下载，第二功能才是IO口，如果想使用SPI3接口， 则程序上必须先禁用掉这几个IO口的下载功能。一般在资源不是十分紧张的情况下，这几个IO口是专门用于下载和调试程序，不会复用为SPI3。

2. 时钟控制逻辑

  SCK线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，该位是对fpclk时钟的分频因子， 对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率，计算方法见表 BR位对fpclk的分频 。

其中的fpclk频率是指SPI所在的APB总线频率， APB1为fpclk1，APB2为fpckl2。
通过配置“控制寄存器CR”的“CPOL位”及“CPHA”位可以把SPI设置成前面分析的4种SPI模式。

3. 数据控制逻辑

  SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标接收、发送缓冲区以及MISO、MOSI线。 当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候， 数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。通过写SPI的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中， 通讯读“数据寄存器DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器CR1”的“DFF位”配置成8位及16位模式； 配置“LSBFIRST位”可选择MSB先行还是LSB先行。

4. 整体控制逻辑

  整体控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变， 基本的控制参数包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时， 控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位， 就可以了解SPI的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。
  实际应用中，我们一般不使用STM32 SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

3.通讯过程

  STM32使用SPI外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器SR”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
  图 主发送器通讯过程 中的是“主模式”流程，即STM32作为SPI通讯的主机端时的数据收发过程。

主模式收发流程及事件说明如下：

(1) 控制NSS信号线， 产生起始信号(图中没有画出)；

(2) 把要发送的数据写入到“数据寄存器DR”中， 该数据会被存储到发送缓冲区；

(3) 通讯开始，SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去； MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；

(4) 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器SR”中的“TXE标志位”会被置1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地， 当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；

(5) 等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE标志位”为1时， 通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

  假如我们使能了TXE或RXNE中断，TXE或RXNE置1时会产生SPI中断信号，进入同一个中断服务函数，到SPI中断服务程序后， 可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用DMA方式来收发“数据寄存器DR”中的数据。

4.实战——读写串行FLASH

1.硬件连接

注意：
如果SPI通讯中的三个从机都是推挽输出（Push-Pull Output），那么在没有适当管理的情况下，当多个从设备同时驱动MISO线时，就会发生线路冲突，这可能导致数据错误和通信故障。为了解决这个问题，【从机】一般采用下面的处理方式：

片选（Chip Select）：每个从设备都有一个独立的片选线，用于启用或禁用该设备的输出。当主设备想要与某个从设备通信时，它会通过激活相应的片选线来选择该从设备。未被选中的从设备会将其MISO输出设置为高阻态（High-Impedance），从而不会对MISO线产生影响。

2.软件设计

编程要点：

1. 初始化通讯使用的目标引脚及端口时钟；
2. 使能SPI外设的时钟；
3. 配置SPI外设的模式、地址、速率等参数并使能SPI外设；
4. 编写基本SPI按字节收发的函数；
5. 编写对FLASH擦除及读写操作的的函数；
6. 编写测试程序，对读写数据进行校验。

扩展1：SPI物理层第二种连接方式：菊花链

在数字通信世界中，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一 个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。

菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；
另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况；

具体的连接如下图所示：


采用一个/SS (或者/CS) 信号控制所有从器件的/CS 输入； 所有从器件接收同一个时钟信号。只有链上的第一个从器件(SLAVE 1) 从微控制器直接接收命令。 其他所有从器件都从链上前一个器件的 DOUT 输出获得其 DIN 数据。要保证菊链正常工作， 每一个从器件就必须能在给定的命令周期内(定义为每一个命令所需的时钟数) 从 DIN 引脚读入命令， 而在下一个命令周期从 DOUT 引脚输出同样的命令。 显然，从 DIN 到 DOUT 会有一个命令周期的延迟。 另外， 各个从器件只能在/CS 的上升沿执行写入的命令。 这意味着只要/CS 保持低电平， 从器件将不会执行命令， 并且会在下一个命令周期将命令通过 DOUT 引脚输出。 如果在给定命令周期之后/CS 变高， 所有从器件将立即执行写入 DIN 引脚的命令。 如果/CS 变高， 数据将不会从 DOUT 输出， 这就使得链上每个从器件可以执行不同的命令。只要菊链的这些要求能够满足， 微控制器只需三个信号(/SS、SCK 和 MOSI)就能控制网络上的所有从器件。

所以最终的数据流向图可以表示为：

SCK为时钟信号，8clks表示8个边沿信号；
其中D为数据，X为无效数据

所以不难发现，菊花链模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整个链充当通信移位寄存器，每个从机在下一个时钟周期将输入数据复制到输出。

详细原理请看：SPI菊花链原理和配置

扩展2：关于stm32硬件spi的MISO口配置

在我们刚使用spi时，对于spi的io口配置可能会有一些疑惑吧，miso明明是一个输入口却配置成了复用推挽输出，是不是会有一点疑惑呢？

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;     // 复用的推挽输出

MISO不是应该设置成为输入端口（GPIO_Mode_IN_FLOATING）才行的吗？其实可以设置成为输入模式，也可以设置成为复用的推挽输出。其工作都是正常的，不过建议大家还是设置成为输入端口的好，容易理解。

具体产生这一问题的原因是：从功能上来说，MISO应该配置为输入模式才对，但为什么也可以配置为GPIO_Mode_AF_PP？请看下面的GPIO复用功能配置框图。当一个GPIO端口配置为GPIO_Mode_AF_PP是，这个端口的内部结构框图如下：图中可以看到，片上外设的复用功能输出信号会连接到输出控制电路，然后在端口上产生输出信号。但是在芯片内部，MISO是SPI模块的输入引脚，而不是输出引脚，也就是说图中的"复用功能输出信号"根本不存在，因此"输出控制电路"不能对外产生输出信号。而另一方面看，即使在GPIO_Mode_AF_PP模式下，复用功能输入信号却与外部引脚之间相互连接，既MISO得到了外部信号的电平，实现了输入的功能。

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SPI协议详解（图文并茂+超详细）
关于stm32硬件spi的miso口配置