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简介
spi物理层
连接方式
框图
协议层#xff1a;
数据处理
传输模式
模式0
起始和停止信号 发送和接收数据
模式1
模式2
模式3
总结 简介
spi物理层 SPI#xff08; Serial Peripheral Interface#xff0c; 串行外设接口#xff09;是一种全双工同步…目录
简介
spi物理层
连接方式
框图
协议层
数据处理
传输模式
模式0
起始和停止信号 发送和接收数据
模式1
模式2
模式3
总结 简介
spi物理层 SPI Serial Peripheral Interface 串行外设接口是一种全双工同步串行通信接口它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息通信速度最高可达25MHz以上。SPI 总线具有三种传输方式全双工、单工以及半双工传输方式。 SPI通常由四条线组成一条主设备输出与从设备输入 Master Output Slave Input MOSI一条主设备输入与从设备输出 Master Input Slave Output MISO一条时钟信号 Serial Clock SCLK一条从设备使能选择 Chip Select CS。与I²C类似也可以使用GPIO模拟SPI时序 SPI可以同时发出和接收数据因此SPI的理论传输速度比I²C更快。 SPI通过片选引脚选择从机一个片选一个从机因此在多从机结构中需要占用较多引脚而I²C通过设备地址选择从机只要设备地址不冲突始终只需要两个引脚 连接方式 CS片选线从设备选择信号线常称为片选信号线也称为 NSS、 SS无论有多少个从设备都共同只使用这 3 条总线而每个从设备都有独立的这一条 NSS 信号线本信号线独占主机的一个引脚即有多少个从设备就有多少条片选信号线。当主机要选择从设备时把该从设备的 CS信号线设置为低电平该从设备即被选中即片选有效为开始信号被拉高作为结束信号 SCK 时钟信号线用于通讯数据同步两个设备之间通讯速率受限于低速设备 MOSI主设备输出/从设备输入引脚即这条线上数据的方向为主机到从机 MISO主设备输入/从设备输出引脚即在这条线上数据的方向为从机到主机
框图 ①STM32F10x芯片有3个 SPI 外设SPI1 是 APB2 上的设备最高通信速率达 36Mbtis/s SPI2、 SPI3 是 APB1 上的设备最高通信速率为 18Mbits/s除了通讯速率在其它功能上没有差异。因为SPI3 用到了下载接口的引脚这几个引脚默认功能是下载第二功能才是 IO 口如果想使用 SPI3 接口则程序上必须先禁用掉这几个 IO 口的下载功能。 ②波特率发生器根据“控制寄存器 CR1”中的 BR[0:2] 位控制对 fpclk 的分频结果就是 SCK 引脚的输出时钟频率 配置“控制寄存器 CR”的“CPOL 位”及“CPHA”位可以把 SPI 设置成的 4 种 SPI模式后续在协议层分析 ③通过写 SPI 的“数据寄存器 DR”把数据填充到发送缓冲区中通讯读“数据寄存器 DR”可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器 CR1”的“DFF 位”配置成 8 位及 16 位模式配置“LSBFIRST 位”可选择 MSB 高位先行还是 LSB低位 先行 ④负责协调整个 SPI 外设工作模式根据配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变控制参数包括前面提到的 SPI 模式、波特率、 LSB 先行、主从模式、单双向模式等等在外设工作时控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位就可以了解 SPI 的工作状态了。 一般不使用 STM32 SPI 外设的标准 NSS 信号线而是更简单地使用普通的GPIO软件控制它的电平输出从而产生通讯起始和停止信号。也就是用模拟方式拉低拉高片选信号
协议层
数据处理 在SCK时钟周期的驱动下 MOSI和MISO同时进行数据输入输出是同时进行的 主机和从机都有一个移位寄存器主机移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从机的移位寄存器此时从机移位寄存器的数据也通过MISO传给了主机实现了两个移位寄存器的数据交换外设的写操作和读操作是同步完成的。无论主机还是从机发送和接收都是同时进行的如同一个“环” 如果主机只对从机进行写操作主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主机要读取从机数据需要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。
传输模式 CPOL Clock Polarity时钟极性 表示SCK在空闲时为高电平还是低电平。 当CPOL0 SCK空闲时为低电平 当CPOL1 SCK空闲时为高电平。 CPHA Clock Phase时钟相位 表示SCK在第几个时钟边缘采样数据。 当CPHA0 在SCK第一个边沿采样数据当CPHA1 在SCK第二个边沿采样数据 实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3” 模式0 CPOL0CPHA0 的时序如下图可以看到串行时钟的奇数边沿上升沿采样 CPOL0看到对应时序中当数据未发送或者发送完毕 SCL 的状态是低电平 CPHA0即是奇数边沿第一个边沿采集可以看到传输的数据会在奇数边沿上升沿被采集 MOSI和 MISO 数据的有效信号需要在 SCK 奇数边沿保持稳定且被采样在非采样时刻下降沿 MOSI 和MISO 的有效信号才发生变化 模式0 起始和停止信号 NSS 信号线由高变低是 SPI 通讯的起始信号。 NSS 是每个从机各自独占的信号线当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后就知自己被主机选中了开始准备与主机通讯。 void spi_start(void)
{/*片选线高电平拉低*/ctrl_cs(0);
}NSS 信号由低变高是 SPI 通讯的停止信号表示本次通讯结束从机的选中状态被取消 void spi_stop(void)
{/*片选线低电平拉高*/ctrl_cs(1);
} 发送和接收数据
/*数据交换收发*/
uint8_t spi_swap_byte(uint8_t byte_send)
{uint8_t i,byte_receive 0x00;for(i0;i8;i){/*开始sck默认低电平现在就可以交换数据*/ctrl_mosi(byte_send (0x80 i));/*通过控制对应的GPIO进行高位先发*/ctrl_sck(1);/*控制对应的GPIO拉高sck读取数据*/if(1 read_miso())/*读取对应的GPIO接收数据*/{byte_receive | (0x80 i);}ctrl_sck(0);/*拉低时钟结束*/}return byte_receive;/*交换得到的数据*/
}
模式1 CPOL0CPHA1 的时序如下图串行时钟的偶数边沿下降沿采样 CPOL0所以 SCL 的空闲状态依然是低电平 CPHA1 数据就从偶数边沿第二个边沿采样下降沿 模式1 模式2 CPOL1CPHA0 的时序如下图 CPOL1SCL 空闲状态为高电平 CPHA0奇数边沿采样的情况下数据在奇数边沿下降沿要保持稳定并等待采样 模式2 模式3 CPOL1CPHA1 的时序如下图 CPOL1SCL状态是高电平,奇数边沿的边沿极性是上升沿,偶数边沿的边沿极性是下降沿 CPHA1数据在偶数边沿上升沿被采样。 在奇数边沿的时候 MOSI 和 MISO 会发生变化在偶数边沿时候是稳定的。 总结 先看CPHA时钟相位为0第一个奇边沿采样为1第二个偶边沿采样再看CPOL时钟极性为0说明空闲的时候是低电平低电平第一个采样信号肯定是拉高由此判断是上升沿还是下降沿采样同理时钟极性为1说明空闲的时候是高电平高电平第一个采样信号肯定是拉低由此判断是上升沿还是下降沿采样
