STM32快速复习(八)SPI通信

文章目录

  • 前言
  • 一、SPI是什么？SPI的硬件电路？SPI发送的时序？
  • 二、库函数
  • 二、库函数示例代码
  • 总结

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。
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述
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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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述
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。
在这里插入图片描述

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。
    在这里插入图片描述

  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。
    在这里插入图片描述

  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。

在这里插入图片描述
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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