STM32再學(xué)習(xí) -- 工程師眼中的SPI

前些天，有位網(wǎng)友談到通過FPGA來實(shí)現(xiàn)SPI通訊。通過帖子的回復(fù)發(fā)現(xiàn)好多網(wǎng)友對(duì)SPI通訊還有些疑惑，于是今天就帶著大家從SPI的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，SPI在STM32單片機(jī)上的配置及在74HC595邏輯芯片通訊的實(shí)例來全方面認(rèn)識(shí)一下這個(gè)既復(fù)雜又簡(jiǎn)單的通訊協(xié)議。

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

常用的SPI通訊方式是標(biāo)準(zhǔn)四線制，如下圖電路示意圖所示：

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

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

SCK：串口時(shí)鐘，作為主設(shè)備的輸出，從設(shè)備的輸入

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

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

比較復(fù)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：在該模式下說得簡(jiǎn)單一些就是此引腳當(dāng)作普通的GPIO來使用。其輸入/輸出的功能與操作GPIO是一樣的。我們通過STM32來操作片外設(shè)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(dāng)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(shè)備，將自動(dòng)變成從SPI設(shè)備;情況二、NSS輸出被關(guān)閉：允許操作于多主環(huán)境。

硬件的連接我們說完了，下面我再來介紹時(shí)鐘線與信號(hào)線。

在學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯電路時(shí)，我們都聽老師講過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鎖存方式，通過兩個(gè)參數(shù)的配置提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式，如下圖所示：

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

對(duì)于數(shù)據(jù)的發(fā)送過程，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(yàn)的方式等，這里對(duì)于這些高級(jí)的應(yīng)用，由于本文片幅有限就不再詳細(xì)講解了。

接下來，我們通過STM32單片機(jī)對(duì)于SPI外設(shè)的初始化過程再來看一下SPI的硬件標(biāo)準(zhǔn)。

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(shè)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(jù)具體應(yīng)用而設(shè)置，例如可配置為開漏輸出

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(shù)據(jù)線兩線，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)鐘線在閑時(shí)常高，下降沿鎖存數(shù)據(jù)

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

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(yàn)公式選擇第7項(xiàng)

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?cè)僖?4HC595芯片的硬件操作操作來配置，初始化SPI外設(shè)。

我們先來看一下74HC595的硬件操作時(shí)序圖：

從上圖，我們可以看出，時(shí)鐘線(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(shù)據(jù)。因此，我們需要將上面配置初始化的兩個(gè)參數(shù)修改為如下：

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //CPOL置高，時(shí)鐘線在閑時(shí)常低，上降沿鎖存數(shù)據(jù)

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

其它參數(shù)不做修改即可。上述源代碼已經(jīng)通過STM32F103與8片74HC595串聯(lián)實(shí)驗(yàn)通過，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(biāo)準(zhǔn)四線的SPI通訊不僅為我們節(jié)省了寶貴的單片機(jī)引腳數(shù)，而且其規(guī)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(chǔ)，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(yīng)用好外設(shè)SPI通訊已經(jīng)成為一名工程師必要的技能之一。