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文章目錄

前言
一、SPI協議的特點
二、SPI協議分析
總結

前言

題目上寫的是單片機，其實不管你的板子上不上系統（FreeRtos、Linux），協議都是不變的。題外話：工作過程中，一直在移植別人寫好的SPI協議，然後和外設的芯片（例如：Flash芯片、NFC芯片等）進行通信，但是都沒有往底層深入的看，下午照着代碼看了三個多小時，寫這篇博客作爲總結。

一、SPI協議的特點

SPI （Serial Peripheral Interface），是串行外圍設備接口，通過這幾個接口（一般4個接口，有片選、時鐘、輸入、輸出）出來的數據遵循一定的規則，我們把這個規則叫做協議，所以就是SPI協議，可以進行高速、全雙工、同步的通信。現在越來越多的外設芯片集成了這種通信協議，常見的有FLASH、AD轉換器，NFC芯片等。

1. 優點

支持全雙工，信號完整性好；
支持高速（100MHz以上）；
協議支持字長不限於8bits，可根據應用特點靈活選擇消息字長，（高位先行還是低位先行，需要看外設芯片的手冊，主要是保證兩個 SPI通訊設備之間使用同樣的協定）；
硬件連接簡單；

2. 缺點

相比IIC多兩根線，有4根線；
沒有尋址機制，只能靠片選選擇不同設備。意思就是發送數據前，要先通過IO拉低設備片選信號，然後在發送數據，操作完成後將片選信號拉高；
沒有從設備接受ACK，主設備對於發送成功與否不得而知；
典型應用只支持單主控；
相比RS232 RS485和CAN總線，SPI傳輸距離短，侷限於PCB板子；

3. 結構

信號定義如下：
SCK: Serial Clock 串行時鐘
MOSI : Master Output, Slave Input 主發從收信號
MISO: Master Input, Slave Output 主收從發信號
SS/CS : Slave Select 片選信號

二、SPI協議分析

1. 模式概念理解

首先要知道時鐘極性 CPOL”和“時鐘相位 CPHA的概念，概念自行百度，根據CPOL 及 CPHA 的不同狀態，SPI 分成了四種模式，若你寫軟SPI協議的話，一定要知道這四種模式，使用硬SPI協議的話，根據外設芯片，在初始化時，配置MCU的寄存器即可。四種模式如下：

例如：W25Q64這款FLSH芯片，既支持模式0，也支持模式3，所以在MCU初始化SPI時，就可以選擇這兩種模式中的一種。

2. 通信過程分析

這是一張野火STM32F103手冊上的圖片，我們參考這種圖片來分析通信過程

(1) 拉低NSS信號線，產生起始信號(圖中沒有畫出)；（需要軟件操作)
(2) 把要發送的數據寫入到“數據寄存器 DR”中，該數據會被存儲到發送緩衝區；（需要軟件操作)
(3) 通訊開始，SCK 時鐘開始運行。MOSI 把發送緩衝區中的數據一位一位地傳輸出去；MISO 則把數據一位一位地存儲進接收緩衝區中；（我們不用管，單片機會自動幫我們完成！)
*(4) 當發送完一幀數據的時候，“狀態寄存器 SR”中的“TXE 標誌位”會被置 1，表示傳輸完一幀，發送緩衝區已空；類似地，當接收完一幀數據的時候，“RXNE標誌位”會被置 1，表示傳輸完一幀，接收緩衝區非空；（需要軟件操作，因爲我們要做狀態查詢，通常是while死循環來保證數據被髮送或接收)
(5) 等待到“TXE標誌位”爲1時，若還要繼續發送數據，則再次往“數據寄存器DR”寫入數據即可；等待到“RXNE 標誌位”爲 1時，通過讀取“數據寄存器 DR”可以獲取接收緩衝區中的內容;
(6) 拉高 NSS信號線，產生結束信號（需要軟件操作)

3. SPI個人協議理解

其實，對於任何一種MCU支持的協議來說，我們要做的就3步：

1、初始化

2、發送數據

3、接收數據
不過，spi協議在發送和接收數據前要拉低片選信號而已。對MCU操作來說，每款MCU的廠家給出的寄存器是不一樣，在編寫發送或接收函數時，每個MCU的編寫函數是不一樣的。這裏，分析兩家的,拿到一款芯片後，可以參考廠家demo編寫，這纔是最正確的，千萬不要傻乎乎的字節從頭到尾寫。

第一家，意法半導體的STM32F103芯片。因爲之前說過，SPI協議沒有從設備發送ACK，所以主設備對於發送成功與否不得而知，但是可以知道數據buff是否發送完成，簡單來說，數據發送成不成功我不知道，但是我知道數據發沒發完。每個廠家設計的不一樣，STM32檢測buff是否發送完成依據接收緩衝區（沒有寫出錯，是接收緩衝區）不爲空（這樣設計感覺挺奇怪的，沒辦法廠家就是這樣設計的）

1）發送之前，先檢測TXE，若發送緩衝區位空，則將數據寫入發送數據寄存器；
2）等待數據發送完成（若RXNE爲非空，則表示發送完成）；

// 發送函數
u8 SPI_FLASH_SendByte(u8 byte)
{
   
    
    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 等待發送緩衝區爲空，TXE事件 */
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET)
    {
   
    
        if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(0);
    }

    /* 寫入數據寄存器，把要寫入的數據寫入發送緩衝區 */
    SPI_I2S_SendData(FLASH_SPIx, byte);   // 將一個字節的數據寫入spi數據寄存器

    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 判斷髮送buff的數據是否完成，等待接收緩衝區非空，RXNE事件 */
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(FLASH_SPIx, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET)
    {
   
    
        if((SPITimeout--) == 0) return SPI_TIMEOUT_UserCallback(1);
    }

    /* 讀取數據寄存器 */
    return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPIx );
}
// 接收函數
u8 SPI_FLASH_ReadByte(void)
{
   
    
	// 通過寫的方式，來讀數據，感覺挺奇怪的
    return (SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte));	//Dummy_Byte爲任意字節，無意義，但是必須要寫，一般我們寫0XFF
}

第二家，國內HUA芯片， 這款芯片就有專門的發送完成和是否接受到數據的狀態寄存器，發送和接收邏輯符合我們通常的認知。寫這兩個函數的時候需要參考廠家demo。

// 發送函數
void Spim0SendData(UINT8 *data_buf, UINT16 len)
{
   
        
	UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;
	UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;
	
	Spim0ClrFifo();		//清空發送緩衝區
    Spim0RecAutorcvDis();  	// 禁用自動接收
	Spim0TransStart();		// 開始發送
	Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND);	// 清空發送完成寄存器
	
	while(len)
    {
   
            
     	if(len >= 8)
        {
   
    
			/*send 8 Byte data*/
			for (UINT8 i = 0; i < 8; i++)
			{
   
    
				SPIM0->DR = *data_buf;
				data_buf++;
			}					
			len -= 8;
			wrcnt += 8;
        }
        else if(len >= 4)
        {
   
    
			/*send 4 Byte data*/
			for (UINT8 i = 0; i < 4; i++)
			{
   
    
				SPIM0->DR = *data_buf;
				data_buf++;
			}					
			len -= 4;
			wrcnt += 4;
        } 		
		else
		{
   
    
			for (UINT8 i = 0; i < len; i++)
			{
   
    
				SPIM0->DR = *data_buf;
				data_buf++;
				len--;
			}					
		}

		while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_TXEND)); 
		Spim0ClrStatus(SPIM0_TXEND);
	}
	Spim0TransStop();
}
// 接收函數
void Spim0RecvData( UINT8 *data_buf, UINT16 rev_len)
{
   
       
	UINT16 *phalfword = (UINT16*)data_buf;
	UINT32 *pword = (UINT32*)data_buf;
	
	Spim0SetClk(rev_len & 0x3ff);/*set rx frames,the maxlen is 0x3ff bytes*/
	Spim0ClrFifo();
	Spim0RecAutorcvEn();/*only receive mode en*/	  
    Spim0TransStart();
	
		while(rev_len != 0)
		{
   
    
			if(rev_len >= 4)
			{
   
    	    			             	
				/*receive 4 byte data*/
				while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXHF));
				*data_buf++ = SPIM0->DR;
				*data_buf++ = SPIM0->DR;
				*data_buf++ = SPIM0->DR;
				*data_buf++ = SPIM0->DR;
				rev_len -= 4;			
			}        
			else
			{
   
    			           
				while(!(Spim0GetStatus() & SPIM0_RXNE));
				for(; rev_len>0; rev_len--)
				{
   
    
					*data_buf++ = SPIM0->DR;
				}
			}
		}
	
	Spim0TransStop();    
}

4、使用SPI協議操作SPI外設芯片

需要先看外設芯片的數據手冊，例如W25Q64 flash芯片的操作指令爲，（下圖中括號的數據爲接收的數據）：

舉個簡單的例子，使用stm32讀flash的設備ID:

u32 SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
{
   
    
    u32 Temp = 0;

    /* Select the FLASH: Chip Select low */
    SPI_FLASH_CS_LOW();

    /* Send "RDID " instruction */
    SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID);		// 0xAB
    SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
    SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
    SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

    /* Read a byte from the FLASH */
    Temp = SPI_FLASH_ReadByte();	// 等價於 Temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);

    /* Deselect the FLASH: Chip Select high */
    SPI_FLASH_CS_HIGH();

    return Temp;
}

總結

1、SPI協議主要寫的就是發送和接收函數，發送和接收的數據需要看外設芯片的數據手冊；
2、若MCU支持硬SPI協議，那我們一般用硬spi協議，若用軟的，移植的時候不好移植，因爲你不知道你的外設芯片支持哪種spi模式。如果MCU不支持SPI，現在你又需要SPI，這時就可以寫個軟的SPI協議。不過現在芯片一般都支持硬SPI了，除非爲了節省成本，你的芯片很Low很Low。
軟spi協議很簡單，關於波特率，你不需要太過關係，只要不超過外設芯片的波特率就可以，至於具體是多少Hz，如果不追求速度的話，沒有太大的關係，可以先調通spi，然後在調速。
軟SPI協議如下（模式0）： 可以看到，先操作的是數據IO，然後在操作SCK的IO。

請務必參考上面的時序圖，來看下面軟spi模式0對應的代碼，不然不知道原由：

// spi發送函數
void SpiByteWrite(unsigned char dat) 
{
   
     
    unsigned char mask; 
    for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在前，逐位移出 
    {
   
     
        if ((mask&dat) != 0) //首先輸出該位數據 
            Set_MOSI_IO(1); 	// IO拉高
        else 
            Set_MOSI_IO(0); 	// IO拉低
        Set_SPI_CK(1);       //然後拉高時鐘，數據採樣，IO拉高
        Set_SPI_CK(0);       //再拉低時鐘，完成一個位的操作 ，IO拉低
    } 
     Set_MOSI_IO(1);            //最後確保釋放 IO 引腳，IO拉高
} 

// spi總線上讀取一個字節  
unsigned char DS1302ByteRead() 
{
   
     
    unsigned char mask; 
    unsigned char dat = 0; 
     
    for (mask=0x01; mask!=0; mask<<=1)  //低位在前，逐位讀取 
    {
   
     
        if (Get_MISO_IO!= 0)  //首先讀取此時的 IO 引腳，並設置 dat 中的對應位 
        {
   
     
            dat |= mask; 
        } 
        Set_SPI_CK(1);       //然後拉高時鐘，數據採樣，IO拉高
        Set_SPI_CK(0);       //再拉低時鐘，完成一個位的操作 ，IO拉低
    } 
    return dat;              //最後返回讀到的字節數據 
}

若其他模式，參考下面的圖片，相信你也能自己寫出對應的軟SPI協議。

在時序上，SPI 比 I2C 簡單多，沒有了起始、停止和應答，和UART一樣， SPI 在通信的時候，只負責通信，不管是否通信成功，而 I2C 卻要通過應答信息來獲取通信成功失敗的信息，所以相對來說，UART 和 SPI 的時序都要比 I2C 簡單一些。

單片機外設篇——SPI協議

文章目錄

前言

一、SPI協議的特點

1. 優點

2. 缺點

3. 結構

二、SPI協議分析

1. 模式概念理解

2. 通信過程分析

3. SPI個人協議理解

4、使用SPI協議操作SPI外設芯片

總結

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單片機外設篇——SPI協議

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