SPI協(xié)議解析

2021-07-04 02:14 作者:記帖 0人讀過 | 我要投稿

概述

????SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如AT91RM9200。

????SPI是一種高速、高效率的串行接口技術。通常由一個主模塊和一個或多個從模塊組成，主模塊選擇一個從模塊進行同步通信，從而完成數(shù)據(jù)的交換。SPI是一個環(huán)形結構，通信時需要至少4根線（事實上在單向傳輸時3根線也可以）。

接口

? ? SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是MISO（主設備數(shù)據(jù)輸入）、MOSI（主設備數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）、CS（片選）。

MISO– Master Input Slave Output,主設備數(shù)據(jù)輸入，從設備數(shù)據(jù)輸出；
MOSI– Master Output Slave Input，主設備數(shù)據(jù)輸出，從設備數(shù)據(jù)輸入；
SCLK – Serial Clock，時鐘信號，由主設備產(chǎn)生；
CS – Chip Select，從設備使能信號，由主設備控制。

????其中，CS是從芯片是否被主芯片選中的控制信號，也就是說只有片選信號為預先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），主芯片對此從芯片的操作才有效。這就使在同一條總線上連接多個SPI設備成為可能。

????接下來就負責通訊的3根線了。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCLK時鐘線存在的原因，由SCLK提供時鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。因此，至少需要8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），才能完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。

????時鐘信號線SCLK只能由主設備控制，從設備不能控制。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少有一個主設備。這樣的傳輸方式有一個優(yōu)點，在數(shù)據(jù)位的傳輸過程中可以暫停，也就是時鐘的周期可以為不等寬，因為時鐘線由主設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數(shù)據(jù)。SPI還是一個數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因為SPI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。芯片集成的SPI串行同步時鐘極性和相位可以通過寄存器配置，IO模擬的SPI串行同步時鐘需要根據(jù)從設備支持的時鐘極性和相位來通訊。

????最后，SPI接口的一個缺點：沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數(shù)據(jù)。

SPI四種通信模式

????不同的從設備可能在出廠是就是配置為某種模式，這是不能改變的；但我們的通信雙方必須是工作在同一模式下，所以我們可以對我們的主設備的SPI模式進行配置，通過CPOL（時鐘極性）和CPHA（時鐘相位）來

????控制我們主設備的通信模式，具體如下：

????時鐘極性(CPOL)定義了時鐘空閑狀態(tài)電平：

????CPOL=0，表示當SCLK=0時處于空閑態(tài)，所以有效狀態(tài)就是SCLK處于高電平時

????CPOL=1，表示當SCLK=1時處于空閑態(tài)，所以有效狀態(tài)就是SCLK處于低電平時

時鐘相位(CPHA)定義數(shù)據(jù)的采集時間。

????CPHA=0，在時鐘的第一個跳變沿（上升沿或下降沿）進行數(shù)據(jù)采樣，在第2個邊沿發(fā)送數(shù)據(jù)。

????CPHA=1，在時鐘的第二個跳變沿（上升沿或下降沿）進行數(shù)據(jù)采樣，在第1個邊沿發(fā)送數(shù)據(jù)。

????Mode0：CPOL=0，CPHA=0：此時空閑態(tài)時，SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)采樣是在第1個邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在上升沿(準備數(shù)據(jù)），（發(fā)送數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

????Mode1：CPOL=0，CPHA=1：此時空閑態(tài)時，SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第1個邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

????Mode2：CPOL=1，CPHA=0：此時空閑態(tài)時，SCLK處于高電平，數(shù)據(jù)采集是在第1個邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

????Mode3：CPOL=1，CPHA=1：此時空閑態(tài)時，SCLK處于高電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第1個邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在上升沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

????這樣兩兩組合就出現(xiàn)了4種通訊模式，但是通信原理是一樣的。

示例

????使用之前的文章作為案例：STM32CUBEMX(13)--SPI，W25Q128外部Flash移植。

????使用BSP_W25Qx_Init進行初始化，BSP_W25Qx_Read_ID進行讀取設備ID。

????定義如下。

????首先進行初始化，函數(shù)為BSP_W25Qx_Init()，其中含有2個函數(shù)，分別是BSP_W25Qx_Reset()和BSP_W25Qx_GetStatus()；在BSP_W25Qx_Reset()中為發(fā)生0x66和0x99，在BSP_W25Qx_GetStatus()中為發(fā)生0x05，之后獲取一個uint8_t類型的數(shù)據(jù)。

????之后進行讀取ID，函數(shù)為BSP_W25Qx_Read_ID()，首先發(fā)送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，分別是0x90,0x00,0x00,0x00,之后讀取設備ID，為2個字節(jié)的數(shù)據(jù)，W25Q128的ID為0XEF17。

????HAL_SPI_Transmit，HAL_SPI_Received都是半工通信，HAL_SPI_Transmits使用的時候MOSI上有數(shù)據(jù)，忽略MISO，HAL_SPI_Received反之，HAL_SPI_TransmitReceive是全雙工通信，發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也在接收數(shù)據(jù)，故在HAL_SPI_Receive讀取的時候，雖然也有發(fā)送數(shù)據(jù)，但是忽略。

????通過示波器抓取的波形如下所示。