SPI协议
SPI協(xié)議
SPI通訊協(xié)議(Serial Peripheral Interface)，即串行外圍設(shè)備接口，是一種高速全雙工的通信總線（比I2C協(xié)議快）。它被廣泛地使用在ADC、LCD等設(shè)備與MCU間，要求通訊速率較高的場(chǎng)合。
一、物理層
SS:從設(shè)備選擇信號(hào)線，常稱(chēng)為片選信號(hào)線，也稱(chēng)為NSS、CS。
每個(gè)從設(shè)備都有獨(dú)立的這一條SS信號(hào)線，本信號(hào)線獨(dú)占主機(jī)的一個(gè)引腳，即有多少個(gè)從設(shè)備，就有多少條片選信號(hào)線。l2C協(xié)議中通過(guò)設(shè)備地址來(lái)尋址、選中總線上的某個(gè)設(shè)備并與其進(jìn)行通訊；而SPI協(xié)議中沒(méi)有設(shè)備地址，它使用SS信號(hào)線來(lái)尋址,當(dāng)主機(jī)要選擇從設(shè)備時(shí)，把該從設(shè)備的SS信號(hào)線設(shè)置為低電平，該從設(shè)備即被選中，即片選有效，接著主機(jī)開(kāi)始與被選中的從設(shè)備進(jìn)行SPI通訊。所以SPI通訊以SS線置低電平為開(kāi)始信號(hào)，以SS線被拉高作為結(jié)束信號(hào)。
SCK：時(shí)鐘信號(hào)線。
它由通訊主機(jī)產(chǎn)生，決定了通訊的速率，不同的設(shè)備支持的最高時(shí)鐘頻率不一樣，如STM32的SPI時(shí)鐘頻率最大為f(pclk)/2，兩個(gè)設(shè)備之間通訊時(shí)，通訊速率受限于低速設(shè)備。
MOSI：（Master Output ，Slave Input）
主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳。
主機(jī)的數(shù)據(jù)從這條信號(hào)線輸出，從機(jī)由這條信號(hào)線讀入主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，即這條線上數(shù)據(jù)的方向?yàn)橹鳈C(jī)到從機(jī)。
MISO：（Master Input，Slave Output）:
主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳。
主機(jī)從這條信號(hào)線讀入數(shù)據(jù)，從機(jī)的數(shù)據(jù)由這條信號(hào)線輸出到主機(jī)，即在這條線上數(shù)據(jù)的方向?yàn)閺臋C(jī)到主機(jī)。
注：MISO和MOSI相當(dāng)于SDA，而SDA又有TX和RX引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。都是全雙工。MOSI相當(dāng)于TX，MISO相當(dāng)于RX。區(qū)別在于，STM32與電腦連接時(shí)，TX應(yīng)與RX相連接，RX與TX相連接；而使用SPI協(xié)議時(shí)，一條數(shù)據(jù)通道連的兩端就是MISO與MOSI，例如，STM32的MISO引腳的另一端就是MOSI，不需要交叉連接，且這條連接的信號(hào)線是共用的。
二、協(xié)議層
SPI的協(xié)議層定義了通訊的起始和終止信號(hào)、數(shù)據(jù)有效性、時(shí)鐘同步等環(huán)節(jié)。
SPI協(xié)議層時(shí)序圖
（1）通信環(huán)節(jié)：
NSS輸出端：片選引腳 。片選信號(hào)是低電平有效，因此片選引腳傳輸過(guò)程中一直到是低電平
SCK輸出端：SCK引腳。上升沿觸發(fā)，下降沿采樣。圖中上升沿時(shí)的數(shù)據(jù)無(wú)效，下降沿即下一個(gè)上升沿之間的數(shù)據(jù)有效。但SPI協(xié)議中上升沿和下降沿含義不像I2C協(xié)議定死，可以另定義。
數(shù)據(jù)信號(hào)線：MOSI輸出端和MISO輸入端
字節(jié)序
1、LSB：全稱(chēng)為L(zhǎng)east Significant Bit，在二進(jìn)制數(shù)中意為最低有效位，一般來(lái)說(shuō)，MSB位于二進(jìn)制數(shù)的最左側(cè)，LSB位于二進(jìn)制數(shù)的最右側(cè)。圖中MSBOUT即輸出時(shí)字節(jié)序?yàn)閺淖蟮接摇?并且對(duì)于上文物理層的圖例來(lái)說(shuō)，MOSI輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，MISO就輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，且兩者是同時(shí)進(jìn)行的。
2、MSB：全稱(chēng)為Most Significant Bit，在二進(jìn)制數(shù)中屬于最高有效位，MSB是最高加權(quán)位，與十進(jìn)制數(shù)字中最左邊的一位類(lèi)似。
（2）通訊的起始與停止信號(hào)
標(biāo)號(hào)①處，NSS信號(hào)線由高變低，是SPI通訊的起始信號(hào)。NSS是每個(gè)從機(jī)各自獨(dú)占的信號(hào)線，當(dāng)從機(jī)檢在自己的NSS線檢測(cè)到起始信號(hào)后，就知道自己被主機(jī)選中了，開(kāi)始準(zhǔn)備與主機(jī)通訊。
在圖中的標(biāo)號(hào)⑥處，NSS信號(hào)由低變高，是SPI通訊的停止信號(hào)，表示本次通訊結(jié)束，從機(jī)的選中狀態(tài)被取消。
（3）數(shù)據(jù)有效性
SPI使用MOSI及MISO信號(hào)線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，使用SCK信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。MOSI及MISO數(shù)據(jù)線在SCK的每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)輸入輸出是同時(shí)進(jìn)行的。
（4）CPOL/CPHA及通訊模式
CPHA=0時(shí)
CPOL：時(shí)鐘極性，指SPI通訊設(shè)備在空閑時(shí)間時(shí)，SCK時(shí)鐘信號(hào)線的電平信號(hào)（即SPI通訊開(kāi)始前、NSS線為高電平時(shí)SCK的狀態(tài)）。CPOL=0時(shí)，SCK在空閑狀態(tài)時(shí)為低電平，CPOL=1時(shí)，則SCK在空閑狀態(tài)時(shí)為高電平。代表了通訊時(shí)的兩種極性。
CPHA：時(shí)鐘相位，指數(shù)據(jù)的采樣的時(shí)刻。當(dāng)CPHA=0時(shí)，MOSI或MISO數(shù)據(jù)線上的信號(hào)將會(huì)在SCK時(shí)鐘線的“奇數(shù)邊沿”被采樣；當(dāng)CPHA=1時(shí)，數(shù)據(jù)線在SCK的“偶數(shù)邊沿”采樣。
CPHA=1時(shí)
CPOL及CPHA的不同狀態(tài)，SPI分成了四種模式，主機(jī)與從機(jī)需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，實(shí)際中采用的常是模式0和模式3：
四種模式
三、SPI的外設(shè)
STM32的SPI外設(shè)可用作通訊的主機(jī)及從機(jī)，支持最高的SCK時(shí)鐘頻率為f(pclk)/2 (STM32F407型號(hào)的芯片默認(rèn)f(pclk2)為84MHzf(pclk1)為42MHz)，完全支持SPI協(xié)議的4種模式，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度可設(shè)置為8位或16位，可設(shè)置數(shù)據(jù)MSB先行或LSB先行。它還支持雙線（指MISO和MOSI）全雙工(前面說(shuō)明的都是這種模式)、雙線單向以及單線模式。
STM32SPI外設(shè)演示圖
四個(gè)部分：
（1）通訊引腳
（2）時(shí)鐘控制邏輯：SCK連接到波特率發(fā)生器用于產(chǎn)生時(shí)鐘
（3）數(shù)據(jù)控制邏輯：數(shù)據(jù)寫(xiě)到發(fā)送緩沖區(qū)，通過(guò)移位寄存器將數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送出去（即并行轉(zhuǎn)串行）；輸入時(shí)，數(shù)據(jù)一位一位的輸入移位寄存器組合成八位數(shù)據(jù)，并發(fā)到接收緩沖區(qū)（串行轉(zhuǎn)并行）；地址和數(shù)據(jù)總線讀寫(xiě)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，達(dá)到數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送的效果。
（4）整體控制邏輯：BR[2:0]波特率寄存器
通訊引腳（F407，以手冊(cè)為準(zhǔn)）
時(shí)鐘控制邏輯（補(bǔ)充）：SCK線的時(shí)鐘信號(hào)，由波特率發(fā)生器根據(jù)“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，該位是對(duì)f(pclk)時(shí)鐘的分頻因子，對(duì)f(pclk)的分頻結(jié)果就是SCK引腳的輸出時(shí)鐘頻率。
BR配置對(duì)應(yīng)分頻
其他幾個(gè)常用SPI可配置寄存器及其位應(yīng)用：
（注：SPI_CR1寄存器不可以用于I2S模式）
SPI_CR1：
（1）位2，MSTR位——0：從配置 （作為從機(jī)）
1：主配置 （作為主機(jī)）
（2）位7，LSBFIRST——0：先發(fā)送MSB
1：先發(fā)送LSB
（3）RXONLY：只接收（Receive only）位10——0：全雙工（發(fā)送和接收） 1：關(guān)閉輸出（只接收模式）
（4）DFF位，DFF為數(shù)據(jù)幀格式（Data frame format）——0：接收8位數(shù)據(jù)幀格式 1:接收16位數(shù)據(jù)幀格式
SPI_DR:數(shù)據(jù)寄存器DR[15:0]，分為兩個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)用來(lái)寫(xiě)入（發(fā)送緩沖區(qū)）一個(gè)用來(lái)讀取（接收緩沖區(qū)）。
發(fā)達(dá)或接收的數(shù)據(jù)為8位或16位，具體取決于數(shù)據(jù)幀格式選擇位(SPI_CR1寄存器中的DFF)。必須在使能SPI前進(jìn)行此項(xiàng)選擇，以確保操作正確。
對(duì)于8位數(shù)據(jù)幀，緩沖區(qū)為8位，只有寄存器的LSB(SPI_DR[7:0])用于發(fā)送/接收。在接收模式下，寄存器的MSB(SPI_DR[15:8])強(qiáng)制為0。
對(duì)于16位數(shù)據(jù)幀，緩沖區(qū)為16位，整個(gè)寄存器 SPI_DR[15:0]均用于發(fā)送/接收。
即SPI的MOSI及MISO都連接到數(shù)據(jù)移位寄存器上，數(shù)據(jù)移位寄存器的數(shù)
據(jù)來(lái)源來(lái)源于接收緩沖區(qū)及發(fā)送緩沖區(qū)。
通過(guò)寫(xiě)SPI的“數(shù)據(jù)寄存器DR”把數(shù)據(jù)填充到發(fā)送緩沖區(qū)中。
通過(guò)讀“數(shù)據(jù)寄存器DR”，可以獲取接收緩沖區(qū)中的內(nèi)容。
其中數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度可以通過(guò)“控制寄存器CR1”的“DFF位”配置成8位及16位
模式;配置“LSBFIRST位”可選擇MSB先行還是LSB先行。
整體控制邏輯（補(bǔ)充）：
整體控制邏輯負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)SPI外設(shè)，控制邏輯的工作模式根據(jù)“控制寄存器(CR1/CR2)”的參數(shù)而改變，基本的控制參數(shù)包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主從模式、單雙向模式等等。
在外設(shè)工作時(shí)，控制邏輯會(huì)根據(jù)外設(shè)的工作狀態(tài)修改“狀態(tài)寄存器(SR)”，只要讀取狀態(tài)寄存器相關(guān)的寄存器位，就可以了解SPI的工作狀態(tài)了。除此之外,控制邏輯還根據(jù)要求，負(fù)責(zé)控制產(chǎn)生SPI中斷信號(hào)、DMA請(qǐng)求及控制NSS信號(hào)線。
實(shí)際應(yīng)用中，一般不使用STM32 SPI外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)NSS信號(hào)線，而是更簡(jiǎn)單地使用普通的GPIO，軟件控制它的電平輸出，從而產(chǎn)生通訊起始和停止信號(hào)。
通訊過(guò)程
注：讀操作時(shí)，因?yàn)樾枰鳈C(jī)時(shí)鐘，所以會(huì)往發(fā)送緩沖區(qū)輸入一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)使主機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘，在輸入時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘時(shí)剛好接收到需要接收的數(shù)據(jù)。而因?yàn)槎x了接收模式，主機(jī)會(huì)忽略發(fā)送寄存器中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)是啥（數(shù)據(jù)是啥不重要）。
過(guò)程：
控制NSS信號(hào)線，產(chǎn)生起始信號(hào)(圖中沒(méi)有畫(huà)出);
把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到“數(shù)據(jù)寄存器DR”中，該數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)到發(fā)送緩沖區(qū);
通訊開(kāi)始，SCK時(shí)鐘開(kāi)始運(yùn)行。MOSI把發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)一位一位地傳輸出去;MISO則把數(shù)據(jù)一位一位地存儲(chǔ)進(jìn)接收緩沖區(qū)中;
當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的時(shí)候，“狀態(tài)寄存器SR”中的“TXE標(biāo)志位”會(huì)被置1，表示傳輸完一幀，發(fā)送緩沖區(qū)已空;類(lèi)似地，當(dāng)接收完一幀數(shù)據(jù)的時(shí)候，“RXNE標(biāo)志位”會(huì)被置1，表示傳輸完一幀，接收緩沖區(qū)非空;
等待到“TXE標(biāo)志位”為1時(shí)，若還要繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則再次往“數(shù)據(jù)寄存器DR”寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可;等待到“RXNE標(biāo)志位”為1時(shí)，通過(guò)讀取“數(shù)據(jù)寄存器DR”可以獲取接收緩沖區(qū)中的內(nèi)容。
假如使能了TXE或RXNE中斷，TXE或RXNE置1時(shí)會(huì)產(chǎn)生SPI中斷信號(hào)，進(jìn)入同一個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)，到SPI中斷服務(wù)程序后，可通過(guò)檢查寄存器
位來(lái)了解是哪一個(gè)事件，再分別進(jìn)行處理。也可以使用DMA方式來(lái)收發(fā)“數(shù)據(jù)寄存器DR”中的數(shù)據(jù)。
四、SPI的固件庫(kù)
1.初始化結(jié)構(gòu)體：
（1）SPI_Direction：
本成員設(shè)置SPI的通訊方向，可設(shè)置為雙線全雙工
(SPl_Direction_2Lines_FullDuplex)；
雙線只接收(SPl_Direction_2Lines_RxOnly)；
單線只接收(SPl_Direction_1Line_Rx)；
單線只發(fā)送模式(SPIl_Direction_1Line_Tx)。
（2）SPl_Mode：
本成員設(shè)置SPI工作在主機(jī)模式(SPl_Mode_Master)或從機(jī)模式
(SPl_Mode_Slave )，這兩個(gè)模式的最大區(qū)別為SPI的SCK信號(hào)線的時(shí)序，SCK的時(shí)序是由通訊中的主機(jī)產(chǎn)生的。若被配置為從機(jī)模式，STM32的SPI外設(shè)將接受外來(lái)的SCK信號(hào)。
（3）SPI_DataSize：
本成員可以選擇SPI通訊的數(shù)據(jù)幀大小是為8位(SPl_DataSize_8b)還是16位(SPl_DataSize_16b)。
（4） SPl_CPOL和SPI_CPHA：
這兩個(gè)成員配置SPI的時(shí)鐘極性CPOL和時(shí)鐘相位CPHA，這兩個(gè)配置影響到SPI的通訊模式，時(shí)鐘極性CPOL成員，可設(shè)置為高電平(SPl_CPOL_High)或低電平(SPI_CPOL_Low )。
時(shí)鐘相位CPHA則可以設(shè)置為SPI_CPHA_1Edge(在SCK的奇數(shù)邊沿采集數(shù)據(jù))或SPl_CPHA_2Edge (在SCK的偶數(shù)邊沿采集數(shù)據(jù))。
（5）SPI_NSS：
本成員配置NSS引腳的使用模式，可以選擇為硬件模式(SPI_NSS_Hard )與軟件模式(SPI_NSS_Soft )，在硬件模式中的SPI片選信號(hào)由SPI硬件自動(dòng)產(chǎn)生，而軟件模式則需要親自把相應(yīng)的GPIO端口拉高或置低產(chǎn)生非片選和片選信號(hào)。（一般用軟件控制）
（6）SPI BaudRatePrescaler：
本成員設(shè)置波特率分頻因子，分頻后的時(shí)鐘即為SPI的SCK信號(hào)線的時(shí)鐘頻率。這個(gè)成員參數(shù)可設(shè)置為fpclk的2、4、6、8、16、32、64、128、256分
頻。
具體配置：
（7）SPI_FirstBit：
所有串行的通訊協(xié)議都會(huì)有MSB先行(高位數(shù)據(jù)在前)還是LSB先行(低位數(shù)據(jù)在前)的問(wèn)題。
（8）SPI_CRCPolynomial：
這是SPI的CRC校驗(yàn)中的多項(xiàng)式，若我們使用CRC校驗(yàn)時(shí)，就使用這個(gè)
成員的參數(shù)(多項(xiàng)式)，來(lái)計(jì)算CRC的值。
2.使能函數(shù)
關(guān)于讀和寫(xiě)，讀時(shí)會(huì)調(diào)用SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx,unit16_t Data)
寫(xiě)時(shí)會(huì)調(diào)用SPI_I2S_RecieveData(SPI_TypeDef* SPIx,unit16_t Data)
五、Flash芯片（以W25Q128為例）
（一般可用SPI1控制該芯片）
PB3/PB4是JTAG引腳，因此如果用SPI1PB3接口時(shí)，PB3、4將不能用于JTAG（下載引腳，20個(gè)信號(hào)線，速度快，但是占用引腳資源過(guò)多）使用。若要下載應(yīng)該在配置中將下載接口改成SWD接口（3個(gè)信號(hào)線）代替（或者按住復(fù)位按鍵先使程序不能順利初始化PB3等JTAG接口，下載時(shí)就可進(jìn)行）。
該Flash支持XIP功能，既可以存儲(chǔ)程序也可以運(yùn)行（合適主機(jī)條件下）。
①Flash 寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)和 EEPROM 類(lèi)似，不能跨頁(yè)寫(xiě)入，一次最多寫(xiě)入一頁(yè)，W25Q128的一頁(yè)是 256 字節(jié)。
寫(xiě)入數(shù)據(jù)一旦跨頁(yè)，必須在寫(xiě)滿上一頁(yè)的時(shí)候，等待 Flash 將數(shù)據(jù)從緩存搬移到非易失區(qū)，重新再次往里寫(xiě)。
②Flash 有一個(gè)特點(diǎn)，就是可以將 1 寫(xiě)成 0，但是不能將 0 寫(xiě)成 1，要想將 0 寫(xiě)成 1，必須進(jìn)行擦除操作。因此通常要改寫(xiě)某部分空間的數(shù)據(jù)，必須首先進(jìn)行一定物理存儲(chǔ)空間擦除，最小的擦除空間為扇區(qū)（4096個(gè)字節(jié)/32KB/64KB一起擦除，一般按4KB/4096字節(jié)為單位擦除），扇區(qū)擦除就是將這整個(gè)扇區(qū)每個(gè)字節(jié)全部變成 0xFF，再將需要輸入的數(shù)據(jù)輸入相應(yīng)位置。
每款 Flash 的扇區(qū)大小不一定相同，W25Q128 的一個(gè)扇區(qū)是 4096 字節(jié)。為了提高擦除效率，使用不同的擦除指令還可以一次性進(jìn)行 32K（8 個(gè)區(qū)）、64K（16 個(gè)扇區(qū)）以及整片擦除。
SPI時(shí)鐘頻率為104MHz使用時(shí)將STM32設(shè)置為42MHz即可
HOLD or功能：主機(jī)和某一從機(jī)通訊時(shí)，若另一個(gè)從機(jī)有緊急任務(wù)需要處理，就可用該功能，先完成緊急任務(wù)再進(jìn)行原從機(jī)通訊。
SPI的Flash存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：
（1）塊（Block），64KB
（2）Sector（扇區(qū)），4096Byte（4KB），一個(gè)塊由16個(gè)扇區(qū)組成，每個(gè)扇區(qū)又有16個(gè)頁(yè)（Page，256Byte），每次寫(xiě)入可以頁(yè)為單位，每次擦除以扇區(qū)為最小單位。
BUSY實(shí)現(xiàn)功能：（取自W25Q128手冊(cè)）
BUSY is a read only bit in the status register (S0) that is set to a 1 state when the device is executing a Page Program,Quad Page Program, Sector Erase, Block Erase, Chip Erase, Write Status Register or Erase/Program Security Register instruction.During this time the device will ignore further instructions except for the Read Status Register and Erase/Program Suspend instruction (see tw, tPP, tSE, tBE, andtcE in AC Characteristics). When the program, erase or write status/security register instruction has completed,the BUSY bit will be cleared to a 0 state indicating the device is ready for furtherinstructions.
總結(jié)
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