【江协STM32】11-1 SPI通信协议

• 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）

1. 硬件电路

• 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（低电平有效，主机想指定哪个从机，就把对应的SS输出线置低电平）
  同一时间，主机只能置一个SS为低电平，选中一个从机
• 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
  SPI协议在从机中的规定：当从机的SS引脚为高电平（从机未被选中），它的MISO引脚必须切换为高阻态（相当于引脚断开，不输出任何电平），在SS为低电平时，MISO才允许变为推挽输出，避免了MISO引脚数据冲突

2. 移位示意图

SPI一般为高位先行，每来一个时钟，移位寄存器都会向左进行移位。移位寄存器的时钟源（波特率发生器）由主机提供。主机移位寄存器向左移出去的数据，通过MOSI引脚，输入到从机移位寄存器的右边。从机移位寄存器向左移出去的数据，通过MISO引脚，输入到主机移位寄存器的右边。

规定波特率发生器时钟的上升沿，所有移位寄存器向左移动1位，移出去的位放在引脚上。波特率发生器的下降沿，引脚上的位采样输入到移位寄存器的最低位。

3. SPI时序基本单元

• 起始条件：SS从高电平切换到低电平
• 终止条件：SS从低电平切换到高电平

• 交换一个字节（模式0）该模式使用较多
• CPOL=0 (Clock Polarity, 时钟极性)：空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA=0 (Clock Phase, 时钟相位)：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

• 交换一个字节（模式1）
• CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平
• CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据（数据采样）

SS高电平时，MISO用一条中间的线表示高阻态 

• 交换一个字节（模式2）
• CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
• CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

• 交换一个字节（模式3）
• CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平
• CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

4. SPI时序 

每个芯片对SPI时序字节流功能的定义不同，这里以W25Q64的时序为例。

SPI对字节流功能的规定与I2C不同。I2C的规定一般是，有效数据流第一个字节是寄存器地址，之后依次是读写的数据，使用的是读写寄存器的模型。而在SPI中，通常采用的是指令码加读写数据的模型。SPI起始后，第一个交换发送给从机的数据，一般叫做指令码。在从机中，对应的会定义一个指令集，这样就可以指导从机完成相应的功能。

4.1 发送指令

• 向SS指定的设备，发送指令（0x06）

SS产生下降沿，时序开始。MOSI，由于指令码最高位仍然是0，所以保持低电平不变。MISO，从机现在没有数据发送给主机，引脚电平没有变换，实际上W25Q64不需要回传数据时，MISO仍然为高阻态，从机没有开启输出，这里因为STM32的MISO为上拉输入，所以MISO呈现高电平。之后，SCK第一个上升沿，进行数据采样，从机采样输入得到0，主机采样输入得到1。

再往后，主机要发送数据1，SCK下降沿，主机将1移出到MOSI，MOSI变为高电平，这里因为是软件模拟的时序，所以MOSI的数据变化有延迟，没有紧贴SCK的下降沿，只要在下一个SCK上升沿之前完成变化即可。然后SCK上升沿，数据采样输入。在最后一位，下降沿，数据变化，MOSI变为0。上升沿，数据采样，从机接收数据0。SCK低电平是变化的时期，高电平是读取的时期。

4.2 指定地址写 

• 向SS指定的设备，发送写指令（0x02），随后在指定地址（Address[23:0]）下，写入指定数据（Data）

SS下降沿，开始时序。这里MOSI空闲时是高电平，所以在下降沿之后，SCK第一个时钟之前，MOSI变换数据，由高电平变为低电平。随后SCK上升沿，数据采样输入。下降沿变换数据，上升沿采样数据。8个时钟后，一个字节交换完成，用0x02换来了0xFF，接收的0xFF不需要使用。第二个字节，用0x12（发送地址的23~16位）换来了0xFF。第三个字节，用0x34（发送地址的15~8位）换来了0xFF。第四个字节，用0x56（发送地址的7~0位）换来了0xFF。通过3个字节的交换，24位地址发送完毕。从机收到的24位地址是0x123456。3位地址结束后，发送写入指定地址的内容。第五个字节，发送数据，这里的波形是0x55。如果只想写入一个数据，就可以SS置高电平，结束通信。

这里也可以继续发送数据，SPI也有和I2C一样的地址指针，每读写一个字节，地址指针自动加1，如果发送一个字节之后不终止，继续发送的字节就会依次写入到后续的存储空间内。由于SPI没有应答机制，所以交换一个字节后，立刻交换下一个字节即可。

4.3 指定地址读

• 向SS指定的设备，发送读指令（0x03），随后在指定地址（Address[23:0]）下，读取从机数据（Data）