STM32F1XX學習—串行總線協議和SPI接口介紹
- SPI、I2C、UART三種串行總線協議的區別
第一個區別當然是名字：
SPI(Serial Peripheral Interface：**串行**外設接口);
I2C(INTER IC BUS)
UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用異步收發器)
第二，區別在電氣信號線上：
SPI總線由三條信號線組成：串行時鐘(SCLK)、串行數據輸出(SDO)、串行數據輸入(SDI)。SPI總線可以實現 多個SPI設備互相連接。提供SPI串行時鐘的SPI設備爲SPI主機或主設備(Master)，其他設備爲SPI從機或從設備(Slave)。主從設備間可以實現**全雙工**通信，當有多個從設備時，還可以增加一條從設備選擇線。
如果用通用IO口模擬SPI總線，必須要有一個輸出口(SDO)，一個輸入口(SDI)，另一個口則視實現的設備類型而定，如果要實現主從設備，則需輸入輸出口，若只實現主設備，則需輸出口即可，若只實現從設備，則只需輸入口即可。
I2C總線是雙向、兩線(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口標準，具有總線仲裁機制，非常適合在器件之間進行近距離、非經常性的數據通信。在它的協議體系中，傳輸數據時都會帶上目的設備的設備地址，因此可以實現設備組網。
如果用通用IO口模擬I2C總線，並實現雙向傳輸，則需一個輸入輸出口(SDA)，另外還需一個輸出口(SCL)。（注：I2C資料瞭解得比較少，這裏的描述可能很不完備）
UART總線是異步串口，因此一般比前兩種同步串口的結構要複雜很多，一般由波特率產生器(產生的波特率等於傳輸波特率的16倍)、UART接收器、UART發送器組成，硬件上由兩根線，一根用於發送，一根用於接收。
顯然，如果用通用IO口模擬UART總線，則需一個輸入口，一個輸出口。
第三，從第二點明顯可以看出，SPI和UART可以實現全雙工，但I2C不行；
PS：串行與並行具體解釋見(http://www.diangon.com/wenku/xianchangzongxian/201410/00013514.html)
- SPI接口介紹
SPI是由美國摩托羅拉公司推出的一種同步串行傳輸規範，常作爲單片機外設芯片串行擴展接 口。SPI有4個引腳：SS(從器件選擇線)、SDO(串行數據輸出線)、SDI(串行數據輸入線)和SCK(同步串行時鐘線)。SPI可以用全雙工通信 方式同時發送和接收8(16)位數據，過程如下：主機啓動發送過程，送出時鐘脈衝信號，主移位寄存器的數據通過SDO移入到從移位寄存器，同時從移位寄存 器中的數據通過SDI移人到主移位寄存器中。8(16)個時鐘脈衝過後，時鐘停頓，主移位寄存器中的8(16)位數據全部移人到從移位寄存器中，隨即又被 自動裝入從接收緩衝器中，從機接收緩衝器滿標誌位(BF)和中斷標誌位(SSPIF)置“1”。同理，從移位寄存器中的8位數據全部移入到主寄存器中，隨 即又被自動裝入到主接收緩衝器中．主接收緩衝器滿標誌位(BF)和中斷標誌位(SSPIF)置“1”。主CPU檢測到主接收緩衝器的滿標誌位或者中斷標誌 位置1後，就可以讀取接收緩衝器中的數據。同樣，從CPU檢測到從接收緩衝器滿標誌位或中斷標誌位置1後，就可以讀取接收緩衝器中的數據，這樣就完成了一 次相互通信過程。這裏設置dsPIC30F6014爲主控制器，ISD4002爲從器件，通過SPI口完成通信控制的過程。
SPI總線協議
SPI是一個環形總線結構，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換。
假設下面的8位寄存器裝的是待發送的數據10101010，上升沿發送、下降沿接收、高位先發送。
那麼第一個上升沿來的時候 數據將會是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來的時候，sdi上的電平將所存到寄存器中去，那麼這時寄存器=0101010sdi，這樣在 8個時鐘脈衝以後，兩個寄存器的內容互相交換一次。這樣就完成裏一個spi時序。
例子：
假設主機和從機初始化就緒：並且主機的sbuff=0xaa，從機的sbuff=0x55，下面將分步對spi的8個時鐘週期的數據情況演示一遍:假設上升沿發送數據
脈衝 主機sbuff 從機sbuff sdi sdo
0 10101010 01010101 0 0
1上 0101010x 1010101x 0 1
1下 01010100 10101011 0 1
2上 1010100x 0101011x 1 0
2下 10101001 01010110 1 0
3上 0101001x 1010110x 0 1
3下 01010010 10101101 0 1
4上 1010010x 0101101x 1 0
4下 10100101 01011010 1 0
5上 0100101x 1011010x 0 1
5下 01001010 10110101 0 1
6上 1001010x 0110101x 1 0
6下 10010101 01101010 1 0
7上 0010101x 1101010x 0 1
7下 00101010 11010101 0 1
8上 0101010x 1010101x 1 0
8下 01010101 10101010 1 0
這 樣就完成了兩個寄存器8位的交換，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相對於主機而言的。其中ss引腳作爲主機的時候，從機可以把它拉底被 動選爲從機，作爲從機的是時候，可以作爲片選腳用。根據以上分析，一個完整的傳送週期是16位，即兩個字節，因爲，首先主機要發送命令過去，然後從機根據 主機的名準備數據，主機在下一個8位時鐘週期才把數據讀回來
SPI 總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進行通信:一條時鐘線SCK，一條數據輸入線MOSI，一條數據輸出線MISO;用於 CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點有:可以同時發出和接收串行數據;可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發送結束 中斷標誌;寫衝突保護;總線競爭保護等。圖3示出SPI總線工作的四種方式，其中使用的最爲廣泛的是SPI0和SPI3方式(實線表示):
圖2 SPI總線四種工作方式
SPI總線接口及時序
SPI 模塊爲了和外設進行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協議沒有重大的影響。如果 CPOL=0，串行同步時鐘的空閒狀態爲低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閒狀態爲高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用於選擇兩種不同的傳 輸協議之一進行數據傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數據被採樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿 （上升或下降）數據被採樣。SPI主模塊和與之通信的外設音時鐘相位和極性應該一致。SPI總線接口時序如圖所示。
SPI功能模塊的設計
根據功能定義及SPI的工作原理，將整個IP Core分爲8個子模塊：uC接口模塊、時鐘分頻模塊、發送數據FIFO模塊、接收數據FIFO模塊、狀態機模塊、發送數據邏輯模塊、接收數據邏輯模塊以及中斷形式模塊。
深入分析SPI的四種傳輸協議可以發現，根據一種協議，只要對串行同步時鐘進行轉換，就能得到其餘的三種協議。爲了簡化設計規定，如果要連續傳輸多個數據，在兩個數據傳輸之間插入一個串行時鐘的空閒等待，這樣狀態機只需兩種狀態（空閒和工作）就能正確工作。