STM32快速复习(八)SPI通信


前言

SPI和IIC通信算是我在大学和面试中用的最多,问的最多的通信协议
IIC问到了,一般SPI也一定会问到。
SPI相对于IIC多了一个片选信号(CS)
SPI相对于IIC,最主要特点,传输速率增快,不需要等待下位机回复,有了片选信号,可以明确控制信号传输的单对单。所以,代码相对于IIC也简单一些。(很多时候,芯片不会有那么多的GPIO口给SPI用作片选信号)
IIC可以用两根线连接多设备,SPI需要再增加片选线,假如连接3个设备,IIC只需要2根通信线,SPI则需要(3+n)条线,n为设备数量,也就是6根线。
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一、SPI是什么?SPI的硬件电路?SPI发送的时序?

SPI是什么?
SPI(Serial Peripheral Interface,串行外设接口)是由Motorola公司开发的一种通用数据总线,与IIC 差不多,也是为了实现主控芯片和各种外挂芯片之间的数据交流。SPI和IIC都是常用的接口协议,只是根据其不同的特点,应用场景有所不同。

SPI特点:SPI(Serial Peripheral Interface)是由Motorola公司开发的一种通用数据总线
四根通信线:SCK(Serial Clock)、MOSI(Master Output Slave Input)、MISO(Master Input Slave Output)、SS(Slave Select)
同步,全双工
支持总线挂载多设备(一主多从)

SPI没有应答机制

硬件特点(参考上图):所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
主机另外引出多条SS控制线,分别接到各从机的SS引脚
输出引脚配置为推挽输出,输入引脚配置为浮空或上拉输入

STM32的SPI电路:
STM32内部集成了硬件SPI收发电路,可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能,减轻CPU的负担
可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行
时钟频率: fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)
支持多主机模型、主或从操作
可精简为半双工/单工通信
支持DMA
兼容I2S协议

STM32F103C8T6 硬件SPI资源:SPI1、SPI2
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***寄存器配合介绍: ***
**移位寄存器:**右侧的数据一位一位地从MOSI输出,MOSI的数据一位一位地移到左侧数据位。
LSBFIRST控制位:用于控制移位寄存器是低位先行(1)还是高位先行(0)。
MISO和MOSI的交叉:用于切换主从模式。不交叉时为主机模式,交叉时为从机模式。
接收缓冲区、发送缓冲区:实际上分别就是接收数据寄存器RDR、发送数据缓冲区TDR。TDR和RDR占用同一个地址,统一叫作DR。移位寄存器空时,TXE标志位置1,TDR移入数据,下一个数据移入到TDR;移位寄存器接收完毕(同时也标志着移出完成),RXNE标志位置1,数据转运到RDR,此时需要尽快读出RDR,以防止被下一个数据覆盖。
细节:SPI为全双工同步通信,所以为一个移位寄存器、两个缓冲区;IIC为单工通信,所以只需要一个移位寄存器、一个缓冲区;USRT为全双工异步通信,所以需要两个移位寄存器、两个缓冲区,且这两套分别独立。
***控制逻辑介绍: ***
波特率发生器:本质是一个分频器,用于产生SCK时钟。输入时钟就是外设时钟f =72MHz/36MHz。每产生一个时钟,就移入/移出一个比特。SPI_CR1中的[BR2,BR1,BR0]用于产生分频系数。
SPI_CR1:SPI控制寄存器1,下面简单介绍一下。详细可以参考中文数据手册“23.5 SPI和I2S寄存器描述”一节。
SPE(SPI Enable):SPI使能,就是SPI_Cmd函数配置的位。
BR(Baud Rate):配置波特率,也就是SCK时钟频率。
MSTR(Master):配置主机模式(1)、从机(0)模式。
CPOL、CPHA:用于选择SPI的四种模式。

简化后:
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波特率发生器:用于产生SCK时钟。
数据控制器:根据配置,控制SPI外设电路的运行。
字节交换过程:交换完毕,移位寄存器空,则TXE位置1、RXNE位置1,TDR会自动转运数据到移位寄存器,RDR数据等待用户读取。
开关控制【代码】:SPI外设使能。
GPIO【代码】:用于各引脚的初始化。
从机使能引脚SS【代码】:并不存在于SPI硬件外设中,实际使用随便指定一个GPIO口(例如PA4)即可。在一主多从模式下,GPIO模拟SS是最佳选择。

在实际书写代码的过程中,使用一个结构体便可以直接配置 波特率发生器 和 字节交换的默认模式,这是SPI外设内部便会自动工作,用户额外需要关心的只是何时读写DR。下面介绍读写时序的流程,分别是性能更高、使用复杂的“主模式全双工连续传输”,以及性能较低、常用且简单易学的“非连续传输”:

不常用:
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本模式可以实现数据的连续传输。
连续写入数据:只要TXE置1,就立马进中断写入数据(会同时清除TXE位);当写入到最后一个数据时,等待BSY位清除,发送流程完毕。
连续读出数据:只要RXNE位置1,就立马进中断读出数据(会同时清除RXNE位)。若不及时读出,现有数据就会被新的数据覆盖。
评价:连续数据流传输对于软件的配合要求较高,需要在每个标志位产生后及时读写数据,整个发送和接收的流程是交错的,但是传输效率是最高的。对传输效率有严格要求才会用到此模式,否则一般采用下面更为简单的“非连续传输”。

常用:
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本模式对于程序设计非常友好。(示例代码基于此)
字节交换流程:最开始等待TXE位置1,发送一个数据(会自动清除TXE);等待RXNE置1,读取数据。再进行下一次的字节交换。
评价:非连续传输会损失数据传输效率,数据传输速率越快,损失越明显。

SPI发送的时序
SPI通信的基础是交换字节。也就是说,每次SPI通信的过程中,通过各自的MOSI、MISO线,主机和从机的寄存器会形成一个循环移位操作,每个比特的通信都是转圈的循环移位,8个时钟周期完整的交换一个字节。那么根据需求有选择的忽略交换过来的数据,就可以实现(以主机举例,从机同理)主机只发送、主机只接收、主从机交换数据这三类操作。

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工作原理:
波特率发生器上升沿:所有寄存器左移一位。
波特率发生器下降沿:将采样输入的数据放到寄存器的最低位。
重复8个时钟周期,便可以实现主机和从机的数据交换。
注:实际上,何时移位、何时采样、时钟极性都是可以设置的,下面将介绍。
功能介绍:显然存在资源浪费现象。
同时进行发送和接收:正常的交换字节。
只想发送、不想接收:不看接收过来的数据。
只想接收、不想发送:随便发一个数据,比如0x00/0xFF。

时序举例:SPI交换单个字节的时序:
起始条件和终止条件:起始条件是SS从高电平切换到低电平,终止条件是SS从低电平切换到高电平。
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交换一个字节:两个配置位分别为CPOL(Clock Polarity, 时钟极性)规定空闲状态的时钟高低电平、CPHA(Clock Phase, 时钟相位)规定数据移入(数据采样)、移出的时机。
总共有四种模式可以选择,常用模式0,会配置一个就足够,其他的只是改变时钟电平。

  1. 【模式0】[CPOL,CPHA] = [0,0],SCK低电平为空闲状态;SCK第一个边沿(上升沿)移入数据,第二个边沿(下降沿)移出数据。

  2. 【模式1】[CPOL,CPHA] = [0,1],SCK低电平为空闲状态;SCK第一个边沿移出数据,第二个边沿移入数据。
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  3. 【模式2】[CPOL,CPHA] = [1,0],SCK高电平为空闲状态;SCK第一个边沿移入数据,第二个边沿移出数据。
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  4. 【模式3】[CPOL,CPHA] = [1,1],SCK高电平为空闲状态;SCK第一个边沿移出数据,第二个边沿移入数据。

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由于从机SPI协议由硬件控制,所以从机发送过来的数据,其数据变化边沿都是紧贴着时钟下降沿完成的。并且,如果最后接收完一个字节后时钟仍为低电平,那么从机会继续将下一个地址的数据发送过来,就实现了“连续地址读”。

二、库函数

SPI/I2S常用设置:
SPI_I2S_DeInit :将SPI或I2S外设恢复到默认的初始状态。
SPI_Init 【必需】:初始化SPI(串行外设接口)外设,并配置其相关参数,包括数据传输模式、时钟极性和相位、数据位长度等。
I2S_Init :初始化I2S(串行音频接口)外设,并配置其相关参数,包括数据格式、数据位长度、时钟极性和相位等。
SPI_StructInit :将SPI外设的配置结构体初始化为默认值。
I2S_StructInit :将I2S外设的配置结构体初始化为默认值。
SPI_Cmd 【必需】:使能或禁用SPI外设。
I2S_Cmd :使能或禁用I2S(串行音频接口)外设。
SPI_I2S_SendData 【常用】:用于向SPI或I2S外设发送数据。但只是将数据送到发送缓冲区。
SPI_I2S_ReceiveData 【常用】:从SPI或I2S外设接收数据。但只是将数据从接收缓冲区读出。
关于中断及标志位【必需】:
SPI_I2S_GetFlagStatus :常用于非中断函数。获取SPI或I2S外设的特定标志位的状态。常见的标志位包括传输完成标志(TXE或BTF)、接收缓冲区非空标志(RXNE)、传输错误标志(OVR、CRCERR等)以及其他特定功能的标志。
SPI_I2S_ClearFlag :常用于非中断函数。用于软件清除SPI或I2S外设的特定标志位。
SPI_I2S_ITConfig :配置SPI或I2S外设的中断使能状态。注意在使用中断功能之前,还需要配置中断优先级、编写中断服务程序以及使能全局中断。
SPI_I2S_GetITStatus :常用于中断函数。用于获取SPI或I2S外设的特定中断标志位的状态。
SPI_I2S_ClearITPendingBit :常用于中断函数。用于清除SPI或I2S外设的特定中断标志位。
单独参数的配置:
SPI_DataSizeConfig :配置SPI外设的数据位长度。
SPI_NSSInternalSoftwareConfig :配置SPI外设的NSS(多主机模式)的内部软件控制模式。
SPI_SSOutputCmd :使能或禁用SPI外设的SS(片选信号)输出功能。
SPI_BiDirectionalLineConfig :用于配置SPI外设的双向数据线模式。
DMA配置(连续数据传输):
SPI_I2S_DMACmd :使能或禁用SPI或I2S外设的DMA传输。
CRC配置:
SPI_TransmitCRC :向SPI外设发送CRC(循环冗余校验)值。
SPI_CalculateCRC :用于计算SPI外设接收到的数据的CRC(循环冗余校验)值。
SPI_GetCRC :用于从SPI外设获取计算得到的CRC(循环冗余校验)值。
SPI_GetCRCPolynomial :用于从SPI外设获取当前配置的CRC(循环冗余校验)多项式值

二、库函数示例代码

代码如下(示例):

 #include "stm32f10x.h"                  // Device header
 //SPI-SS引脚写操作
void SPI_User_W_SS(uint8_t BitValue){
   GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
 }
 //SPI初始化
void SPI_User_Init(void){
   //1.开启外设时钟
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//GPIO时钟
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); //SPI1时钟
   //2.初始化端口
   //初始化SS-推挽输出
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
   //初始化CLK、MOSI-外设复用推挽输出
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
   //初始化MISO-上拉输入
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
   //3.配置SPI
   SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
   SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2; //APB2的2分频-36MHz
   SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;                       //第一个边沿采样,第二个边沿输出
   SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;                         //时钟空闲时低电平
   SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                  //数据位宽8bit
   SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //SPI双线全双工
   SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                 //高位先行
   SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                      //主机模式
   SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                          //软件自定义片选信号
   SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 0x0007;                      //CRC用不到,所以默认值7
   SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
   //4.SPI使能
   SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
   
   SPI_User_W_SS(1);//默认不选中从机
}
   
//SPI起始信号
void SPI_User_Start(void){
   SPI_User_W_SS(0);
 }
 //SPI终止信号
void SPI_User_Stop(void){
   SPI_User_W_SS(1);
 }
 //SPI交换一个字节(模式0)
 uint8_t SPI_User_SwapByte(uint8_t SendByte){
   while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE)!=SET); //等待TXE置1
   SPI_I2S_SendData(SPI1,SendByte);                          //发送数据到TDR
   while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE)!=SET);//等待RNXE置1
   return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);                         //从RDR接收数据
}

流程:开时钟 — 配置串口 — 配置SPI — 开启SPI使能 — 交换数据 — 关使能


总结

IIS是一种用于将数字音频设备连接在一起的电气串行总线接口标准。 在工作中音频采集,AD和主芯片之间的通信都是使用IIS进行的,它用于在电子设备中的集成电路之间传送PCM音频数据。在IIS总线上,只能同时存在一个主设备和发送设备。主设备可以是发送设备,也可以是接收设备,或是协调发送设备和接受设备的其它控制设备。在IIS系统中,提供时钟的设备为主设备。(知道有这么个东西就行,工作和大学没用到,我也不会)

关于是否清除标志位。手册上写明了TXE和RXNE“由硬件置位并由软件清除”,但是这并不代表需要一条专门的语句来清除标志位,比如SPI中就是读写数据的过程中就自动清除了,所以具体还需要查看数据手册的描述。

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