SPI总线入门
1. SPI 协议介绍
1.1 什么是 SPI 协议
SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信协议，用于在微控制器和外部设备之间进行数据传输。它由一个主设备（通常是微控制器 MCU）和一个或多个从设备组成，即一主多从模式。它通常用于短距离、高速、全双工的通信，它在许多嵌入式系统和电子设备中被广泛应用，如存储器芯片、传感器、显示器驱动器、无线模块等。
在 SPI 协议中，主设备是通信的发起方和控制方，而从设备则是被动接收和响应主设备的命令和数据。主设备通过时钟信号来同步数据传输，同时使用多个双向数据线来实现数据的传输和接收。
SPI 协议是一种全双工通信方式，意味着主设备和从设备可以同时发送和接收数据。它还使用一种选择信号（通常称为片选或使能信号），用于选择与主设备进行通信的特定从设备。
- 主设备通过 MOSI 线向从设备发送数据。在每个时钟周期中，主设备将一个位发送到 MOSI 线上，从设备在下一个时钟周期中读取该位。
- 从设备通过 MISO 线向主设备发送数据。在每个时钟周期中，从设备将一个位发送到 MISO 线上，主设备在下一个时钟周期中读取该位。
- 数据传输可以是全双工的，即主设备和从设备可以同时发送和接收数据。
- 数据传输的长度可以是可变的，通常以字节为单位。
- 数据传输可以是单向的，即主设备只发送数据或只接收数据。
- 数据传输可以是多主设备的，即多个主设备可以与多个从设备进行通信。
1.2 SPI的硬件接口
SPI 主要使用 4 根线，时钟线（SCLK），主输出从输入线（MOSI），主输入从输出线（MISO）和片选线（CS）。
| 通信线 | 说明 |
|---|---|
| SCLK | 时钟线，也叫做 SCK。由主机产生时钟信号。 |
| MOSI | 主设备输出从设备输入线，也叫做 SDO。意为主机向从机发送数据。 |
| MISO | 主设备输入从设备输出线，也叫做 SDI。意为主机接收从机的数据。 |
| CS | 片选线，也叫做 NSS。从机使能信号，由主机控制。当我们的主机控制某个从机时，需要将从机对应的片选引脚电平拉低或者是拉高。 |
主设备是通过片选线选择要与之通信的从设备。每个从设备都有一个片选线，当片选线为低电平时，表示该从设备被选中。（也有一些设备以高电平有效，需要根据其数据手册确定）。
1.3 SPI 的模式选择
SPI 协议定义了多种传输模式，也称为 SPI 模式或时序模式，用于控制数据在时钟信号下的传输顺序和数据采样方式。SPI 的传输模式主要由两个参数决定：时钟极性 (CKPL) 和相位 (CKPH)。
以下是常见的 SPI 模式：
-
模式 0（CKPL=0，CKPH=0）：
- 时钟极性（Clock Polarity）为 0，表示时钟空闲状态为低电平。
- 时钟相位（Clock Phase）为 0，表示数据在时钟信号的第一个边沿（时钟上升沿）进行采样和稳定。
-
模式 1（CKPL=0，CKPH=1）：
- 时钟极性为 0，时钟空闲状态为低电平。
- 时钟相位为 1，数据在时钟信号的第二个边沿（时钟下降沿）进行采样和稳定。
-
模式 2（CKPL=1，CKPH=0）：
- 时钟极性为 1，时钟空闲状态为高电平。
- 时钟相位为 0，数据在时钟信号的第一个边沿（时钟下降沿）进行采样和稳定。
-
模式 3（CKPL=1，CKPH=1）：
- 时钟极性为 1，时钟空闲状态为高电平。
- 时钟相位为 1，数据在时钟信号的第二个边沿（时钟上升沿）进行采样和稳定。
2. GPIO模拟SPI 接口示例
2.1 电路原理图
单片机SPI2接入了一片W25Q80DV型的Flash芯片，下面就以通过SPI读取芯片信息为例，演示软件模拟SPI时序的代码。
W25Q80DV的Read JEDEC ID (9Fh)的时序图
2.2 软件代码
#include "at32f403a_407_conf.h"
uint8_t spi_send_recv(uint8_t data)
{
uint8_t val;
for(int i=0;i<8;i++){
val <<= 1;
if(data & 0x80)
gpio_bits_set(GPIOB, GPIO_PINS_15);
else
gpio_bits_reset(GPIOB, GPIO_PINS_15);
data <<= 1;
gpio_bits_set(GPIOB, GPIO_PINS_13); //sck high
if(gpio_input_data_bit_read(GPIOB, GPIO_PINS_14))
val |= 0x1;
gpio_bits_reset(GPIOB, GPIO_PINS_13); //sck low
}
return val;
}
uint32_t w25q80_read_MFD()
{
uint32_t id = 0;
uint8_t data;
gpio_bits_reset(GPIOB, GPIO_PINS_12); //cs low
spi_send_recv(0x9f); //send cmd 9F
data = spi_send_recv(0xff); //recv manufacturer ID (EF)
id |= data << 16;
data = spi_send_recv(0xff); //recv memory type ID15-ID8(40)
id |= data << 8;
data = spi_send_recv(0xff); //recv memory type ID17-ID0(14)
id |= data;
gpio_bits_set(GPIOB, GPIO_PINS_12); //cs high
return id;
}
uint32_t mfd;
int main(void)
{
//打开GPIO时钟
crm_periph_clock_enable(CRM_GPIOB_PERIPH_CLOCK, TRUE);
//配置为输出
gpio_init_type gpio_init_struct;
gpio_init_struct.gpio_pins = GPIO_PINS_12|GPIO_PINS_13|GPIO_PINS_15;
gpio_init_struct.gpio_mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
gpio_init_struct.gpio_out_type = GPIO_OUTPUT_PUSH_PULL;
gpio_init_struct.gpio_pull = GPIO_PULL_NONE;
gpio_init_struct.gpio_drive_strength = GPIO_DRIVE_STRENGTH_STRONGER;
gpio_init(GPIOB, &gpio_init_struct);
gpio_bits_set(GPIOB, GPIO_PINS_12); //cs high
mfd = w25q80_read_MFD();
for(;;){
}
}程序运行正确的话，mdf的值应为 0x00EF4014。