STM32再學習 -- 工程師眼中的SPI

前些天，有位網友談到通過FPGA來實現SPI通訊。通過帖子的回復發(fā)現好多網友對SPI通訊還有些疑惑，于是今天就帶著大家從SPI的標準協議，SPI在STM32單片機上的配置及在74HC595邏輯芯片通訊的實例來全方面認識一下這個既復雜又簡單的通訊協議。

SPI 是Serial Peripheral Interface的縮寫，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，是一種四線同步總線，因其硬件功能很強，與SPI有關的軟件就相當簡單，使MCU有更多的時間處理其他事務。這里要說明一下，專利在電子行業(yè)還是很關鍵的，因此，部分其它廠商將SPI通訊協議更名以規(guī)避高昂的專利費，但其硬件處理方式是一樣的，只是換了一個名稱而已，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。這是一個可選的引腳，用來選擇主/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MOSI腳把數據發(fā)送給從設備，從設備通過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時鐘信號同步的;時鐘信號由主設備通過SCK腳提供。

比較復雜的是這個從選擇(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：在該模式下說得簡單一些就是此引腳當作普通的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來操作片外設備時多采用此模式。

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輸出已經使能，這時NSS引腳被拉低，所有NSS引腳與這個主SPI的NSS引腳相連并配置為硬件NSS的SPI設備，將自動變成從SPI設備;情況二、NSS輸出被關閉：允許操作于多主環(huán)境。

硬件的連接我們說完了，下面我再來介紹時鐘線與信號線。

在學習數字邏輯電路時，我們都聽老師講過數據的鎖存方式，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，通過兩個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，其數據鎖存在第二個時鐘邊沿;CPHA清零時，數據鎖存在第一個時鐘邊沿。而CPOL參數置高時，數據鎖存在時鐘信號的下降沿，時鐘線空閑狀態(tài)為常高，反之，數據鎖存在時鐘信號的上升沿，空閑狀態(tài)為常低。

對于數據的發(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，我們通過STM32單片機對于SPI外設的初始化過程再來看一下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，時鐘線在閑時常高，下降沿鎖存數據

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //CPHA置高，則第二個時鐘沿鎖存數據

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配置，初始化SPI外設。

我們先來看一下74HC595的硬件操作時序圖：

從上圖，我們可以看出，時鐘線(SH_CP)在空閑狀態(tài)為常低，并且為第一個時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參數修改為如下：

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //CPOL置高，時鐘線在閑時常低，上降沿鎖存數據

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; //CPHA清零，則第一個時鐘沿鎖存數據

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

標準四線的SPI通訊不僅為我們節(jié)省了寶貴的單片機引腳數，而且其規(guī)范的硬件協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接口的網絡通訊模塊都已經非常普及，可以看到應用好外設SPI通訊已經成為一名工程師必要的技能之一。