SPI通信外设

SPI外设介绍

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时钟频率就是SCK波形的频率，一个SCK时钟交换一个bit，所以时钟频率一般体现的是传输速度，单位是Hz或者bit/s。可以看出来，SPI的时钟其实就是由pclk分频得来的，pclk就是外设时钟，APB2的PCLK就是72MHz，APB1的PCLK是36MHz。

注意事项：一是这个频率数值并不是任意指定的，它只能是PCLK执行分频后的数值就只有这八个选项。
二是SPI1和SPI2挂载的总线是不一样的，SPI1挂载在APB2，PCLK是72MHz，SPI1挂载在APB1，PCLK是36MHz，所以同样的配置，SPI1的时钟频率要比SPI2的大一倍。

兼容I2S协议：是一种数字音频信号专用协议、

SPI框图

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接下来看一下SPI的框图，我们可以大致把它分成两部分，左上角这一部分就是数据寄存器和移位寄存器打配合的过程。然后剩下右下角这一部分，就是一些控制逻辑寄存器。

移位寄存器，右边的数据低位，一位一位的从MOSI移出去，然后MISO的数据一位一位的移入到左边的数据高位，显然移位寄存器应该是一个右移的状态，所以目前图上表示的是低位先行的配置。
对应右下角有一个LSBFIRST的控制位，这一位可以控制是低位先行还是高位先行。

这里LSBFIRST帧格式：给0先发送MSB，MSB就是高位的意思，给1先发送LSB ，LSB 就是低位的意思。那ppt这里目前的状态LSBFIRST的应该是1，低位先行。如果LSBFIRST给0，高位先行的话，这个图还要变动一下，就是移位寄存器变为左移，输出，从左边移出去，输入，从右边移进来，这样才符合逻辑。
主从模式引脚变换
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然后继续看左边这一块，这里画了个方框，里面把MOSI和MISO做了个交叉，这一块主要是用来进行主从模式引脚变换的。我们这个SPI外设可以做主机，也可以做从机，做主机时这个交叉就不用，MOSI为MO，主机输出，MISO为MI，主机输入，这是主机的情况。

如果我们STM32作为从机的话，MOSI为SI，从机输入，这时他就要走交叉的这一路，输入到移位寄存器，同理MISO为SO，从机输出，这时输出的数据也走交叉的这一路输出到MISO。

接收发送缓冲区
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接收发送缓冲区，这两个缓冲区实际上就是数据寄存器DR，下面发送缓冲区就是发送数据寄存器TDR，上面接收缓冲区就是接收数据寄存器RDR，TDR和RDR占用同一个地址，统一叫做DR。

写入DR时，数据写入到TDR，读取DR时，数据从RDR读出，数据寄存器和移位寄存器打配合，可以实现连续的数据流。

具体流程：比如我们需要连续发送一批数据，第一个数据写入到TDR，当移位寄存器没有数据移位时，TDR的数据会立刻转入移位寄存器，开始移位，这个转入时刻，会置状态寄存器的TXE为1，表示发送寄存器空，当我们检查TXE置1后，紧跟着下一个数据就可以提前写入到TDR里侯着了，一旦上个数据发完，下一个数据就可以立刻跟进，实现不间断的连续传输。然后移位寄存器，这里一旦有数据过来了，它就会自动产生时钟将数据移出去，在移出的过程中，MISO的数据也会移入，一旦数据移出完成，数据移入也完成了，这时移入的数据就会整体的从移位计算器，转入到接收缓冲区RDR，这个时刻会置状态寄存器器的RXNE为1，表示接收计寄存器器非空。当我们检查RXNE置1后，就要尽快把数据从RDR读出来，在下一个数据到来之前，读出RDR就可以实现连续接收。否则如果下一个数据已经收到了，上个数据还没从RDR读出来，那RDR的数据就会被覆盖，就不能实现连续的数据流了。

右下角是一些控制逻辑，首先是波特率发生器，这个主要就是用来产生SCK时钟的，它的内部主要就是一个分频器，输入时钟是PCLK72M或36M，经过分频器之后输出到SCK引脚，当然这里生成的时钟肯定是和移位寄存器同步的，每产生一个周期的时钟移入移出一个bit。

BR位
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然后右边CR1寄存器的三个位BR0、BR1、BR2，用来控制分频系数。手册这里看到BR[2:0] 是波特率控制，这三位写入下面这些值，可以对PCLK时钟执行2~ 256的分频，分频之后就是SCK时钟，所以这一块就对于来之前这里说的时钟频率是fpclk的2~256分频，那这就是波特率发生器的部分。
各种寄存器
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LSB FIRST，决定高位先行还是低位先行。
SPE是SPI使能，就是SPI_Cmd函数配置的位。
BR配置波特率，就是SCK时钟频率。
MSTR(Master)，配置主从模式，1是主模式，0是从模式，我们一般用主模式
CPOL和CPHA，用来选择SPI的四种模式。
SR状态寄存器，TXE发送寄存器空，RXNE接收寄存器非空，这两个比较重要，我们发送接收数据的时候需要关注这两位。
CR2寄存器，是一些使能位,比如中断使能，DMA使能等。

NSS引脚
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NSS引脚，SS就是从机选择，低电平有效，所以这里前面加了个n，SS引脚我们直接使用一个GPIO模拟就行，因为SS引脚很简单，就置一个高低电平就行了。而且从机的情况下，ss还会有多个。

I2C基本结构

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移位寄存器，是左移，高位移出去，通过GPIO到MOSI，从MOSI输出，显然这是SPI的主机。
之后引入的数据从MISO进来，通过gpio到移位寄存器的低位，这样循环八次，就能实现主机和从机交换一个字节，然后TDR和RDR的配合，可以实现连续的数据流。

另外TDR数据，整体转入移位寄存器的时刻，置TXE标志位。移位寄存器数据整体转入RDR的时刻，置RXNE标志位。

波特率发生器，产生时钟输出到SCK引脚。

数据控制器，看成是一个管理员，它控制着所有电路的运行。

开关控制就是SPI_Cmd，初始化之后，给个ENABLE，初始化整个外设。

SS从机选择引脚，另外这里并没有画SS从机选择引脚，这个引脚我们还是使用普通的GPIO来模拟即可。在一主多从的模型下，GPIO模拟的SS是最佳选择，这就是SPI的简化的结构。

主模式全双工连续传输

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非连续传输的好处，就是容易封装好理解好用，但是会损失一丢丢性能；连续传输呢传输更快，但是操作起来相对复杂，那我们来分别具体分析一下。

首先第一行是SCK时钟线，这里CPOLl=1，CPHA=1，示例使用的是SPI模式3，所以SCK默认是高电平，然后在第一个下降沿MOSI和MISO移出数据，之后上升沿引入数据，依次这样来进行。

第二行是MOSI/MISO输出的波形，跟随SCK时钟变化，数据位依次出现，这里从前到后依次出现的是b0~b7 ，所以这里示例演示的是低位先行的模式，实际SPI高位先行用的多一些。

第三行是TXE发送寄存器空标志位，波形是这样的，等会儿再分析。

第四行，是发送缓冲器（写入SPI_DR），实际上就是这里的TDR

第三五是BSY， busy是由硬件自动设置和清除的。当有数据传输时，busy置1。

那上面这部分演示的就是输出的流程和现象。

然后下面是输入的流程和现象。

MISO/MOSI（输入），之后是RXNE接收数据寄存器非空标志位，最后是接收缓冲器（读出SPI_DR）。

发送的流程
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我们来从左到右依次分析，首先SS置低电平，开始时序，在刚开始时TXE为1，表示TDR空，可以写入数据开始传输，然后下面指示的第一步就是软件写入0xF1至SPI_DR，0xF1就是要发送的第一个数据，之后看到写入之后TDR变为0xF1 ，同时TXE变为0，表示TDR已经有数据了，那此时TDR是等候区，移位寄存器才是真正的发送区。
移位寄存器刚开始肯定没有数据，所以在等候区TDR里的F1 ，就会立刻转入移位寄存器开始发送，转入瞬间置TXE标志位为1，表示发送寄存器空，然后移位寄存器有数据了，波形就自动开始生成，

数据转入移位寄存器之后，数据F1的波形就开始产生了，在移位产生F1波形的同时，等候区TDR是空的，为了移位完成时，下一个数据能不间断的跟随，这里我们就要提早把下一个数据写入到TDR里等着了。

所以下面第二步的操作，是写入F1之后，软件等待TXE=1，在这个位置，一旦TDR空了，我们就写入F2至SPI_DR，写入之后可以看到TDR的内容就变成F2了，也就是把下一个数据放到TDR里候着。

之后的发送流程也是同理，最后在这里如果我们只想发送三个数据，F3转入移位寄存器之后，TXE=1，我们就不需要继续写入了，TXE之后一直是1，注意在最后一个TXE=1之后，还需要继续等待一段时间，F3的波形才能完整发送完，等波形全部完整发送之后，busy的标志由硬件清除，这才表示波形发送完成了，那这些就是发送的流程。

接收的流程
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接收的流程：SPI是全双工，发送的同时还有接收，所以可以看到在第一个字节发送完成后，第一个字节的接收也完成了，接收到的数据1是A1 ，这时移位寄存器的数据整体转入RDR，RDR随后存储的就是A1 ，转入的同时按RXNE标志位也置1，表示收到数据了。
我们的操作是下面这里写的，软件等待RXNE=1表示收到数据了，然后从SPI_DR也是RDR读出数据A1 ，这是第一个接收到的数据，接收之后软件清除RXNE标志位，然后当下一个数据2收到之后，RXNE重新置1，我们监测到RXNE=1时，就继续读出RDR，这是第二个数据A2 。
最后在最后一个字节时序完全产生之后，数据3才能收到，所以数据3，直到这里才能读出来，

然后注意,一个字节波形收到后，移位寄存器的数据自动转入RDR，会覆盖原有的数据，所以我们读出RDR要及时，比如A1这个数据收到之后，最迟你也要在这里把它读走，否则下一个数据A2覆盖A1，就不能实现连续数据流的接收了，这是整个发送和接收的流程这个交换的流程。这个连续传输，对效率要求很高，否则的话，我们更推荐下面这个非连续传输。

非连续传输
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那我们看一下这个非连续传输和连续传输，有什么区别呢，

首先这个配置还是spi模式三，sck默认高电平，发送数据时如果检测到TXE=1了，TDR为空，就软件写入0xF1至SPI_DR，这时TDR的值变为F1，TXE变为0，目前移位寄存器也是空，所以这个F1会立刻转入移位寄存器，开始发送，波形产生并且，TXE置回1，表示你可以把下一个数据放在TDR里侯着了。

但是现在区别就来了，在连续传输这里，一旦TXE等于1了，我们就会把下个数据写到TDR里侯着这样是为了连续传输数据衔接更紧密，这样的话，流程就比较混乱，程序写起来比较复杂。

所以在非连续传输这里，TXE等于1了，我们不着急把下一个数据写进去，等待第一个字节时序结束，意味着接收第一个字节也完成了，这时接收的RXNE会置1。我们等待RXNE置1后，先把第一个接收到的数据读出来，之后再写入下一个字节数据，也就是这里的（软件等待TXE等于1，但是较晚写入0xf2SPI_DR），较晚写入TDR后，数据2开始发送，我们还是不着急写数据3，等到了这里，先把接收的数据2收着，再继续写入数据3。
数据3时序结束后，最后再接收数据3置换回来的数据。

我们的整个步骤：第一步等待TXE为1，第二步写入发送的数据至TDR，第三步等待RXNE为1，第四步读取RDR接收的数据，之后交换第二个字节，重复这四步。

非连续传输缺点
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非连续传输缺点：就是在这个位置没有及时把下一个数据写入TDR候着，所以等到第一个字节时序完成后，第二个字节还没有送过来，那这个数据传输就会在这里等着，所以这里时钟和数据的时序，在字节与字节之间会产生间隙，拖慢了整体数据传输的速度这个间隙在SCK频率低的时候影响不大，但是在SCK频率非常高时，间隙拖后腿的现象就比较严重了，比如我这里用示波器看了一下，不同SCK频率间隙的影响。

不同SCK频率间隙的影响

256分频

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这里有四个波形，SCK分频系数分别是264、128、28、56，先看一下最慢的，256分频，这个SCK频率是72M/26大概是280k。

图示上面是SCK信号，这里使用SPI模式0，所以默认低电平，下面是SS信号，低电平表示选中从机，这个波形是SPI非连续传输，交换五个字节的时序，SCK线，连续交换了五个字节，但是你几乎看不出字节与字节之间的间隙对，因为这个时钟频率比较慢，间隙时长也不大，所以在这个比较慢的波形看来，间隙对它的影响就可以忽略了。

128分频
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这图是128分频，SCK频率大概560k，这时就更明显的看出来字节之间的间隙了，字节和字节之间并不是严丝合缝的，这会降低整体的字节传输速度。但这个比例上看，这一点点间隙也可以忽略不计的。

2分频
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我们直接看一下最快的二分频，这个SCK时钟频率是72M/2=36M，频率非常快，已经超过这个示波器的采样频率，所以每个字节的时钟已经看不完整了。这里可以看到间隙所占的时间比例，已经是数据传输的好几倍了，不能忽略间隙。
如果你忽略了间隙，那计算一下二分频的数据传输速率，应该是256分频的128倍，当你实测一下，它肯定达不到这么高，所以通过看这个波形我们就清楚了，如果你想在极限频率下，进一步提高数据传输速率，追求最高性能，那最好使用连续传输的操作逻辑，或者还要进一步采用DMA自动转运，这些方法效率都是非常高的。