STM32 SPI介绍及CubeMX配置

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#stm32 #单片机 #arm

于 2022-08-15 16:16:19 首次发布

本文深入解析SPI协议，包括物理层的连接方式和协议层的通信模式。详细介绍了STM32中的SPI架构，包括通信引脚、时钟控制逻辑和数据控制逻辑。同时，通过CubeMX配置SPI的步骤，展示了如何设置时钟源、数据格式、时钟极性和相位。此外，还涵盖了STM32 SPI的全双工模式和硬件NSS的禁用。

一.SPI简介

SPI（Serial Peripheral Interface），即串行外围设备接口，是一种高速全双工通信，被广泛应用在设备与MCU之间要求通信频率高的场合

二.SPI协议

物理层：

主机MCU与从机通过四条线连接，其中SCK、MOSI、MISO三条线共用，SS为从设备选择信号线，使SPI可以支持多设备。

NSS：片选信号线，每个从设备都有一条独立片选信号线，独占主机的一个引脚，有多少个从设备就有多少片选信号线。当主机要选定从设备时，将该设备的SS线电平拉低，即片选有效，接下来主机开始与被选中的从机通信，当主机将SS线电平拉高结束通信。
SCK：时钟信号线，用于通讯数据同步。由通讯主机产生，并决定通讯频率。
MOSI：master output，slave input主设备输出从设备输入引脚，主机通过这条线向从机发送数据。
MISO：master input，slave output主设备输入从设备输出引脚，从机通过这条线向主机发送数据。

MOSI与MISO两条信号线使SPI可以实现全双工通信，如果只需要单向通信则可以少使用一条信号线。

协议层：

SPI协议层定义了通讯的起始信号和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

1.SPI的基本通讯过程

①：片选信号线选择从设备，通讯开始。

②④：SCK触发信号，MOSI与MISO变化等待采样。

③⑤：SCK采样信号，主机与从机分别对MISO、MOSI信号进行采集。

多次的触发、采样组成SPI数据传输过程。

⑥：片选信号线停止信号，通信停止。

2.通信模式

SPI有四种通讯模式，他们的主要依靠总线空闲时SCK的时钟状态和数据采样时刻来区别。

时钟极性CPOL：CPOL是指NSS总线空闲时SCK的电平信号，如果SCK为高电平，CPOL=1；SCK为低电平，CPOL=0。如上方时序图中CPOL=0.

时钟相位CPHA：CPHA是指数据的采样时刻，SCK的信号可以看作方波，CPHA=0时会在SCK的奇数边沿采样；CPHA=1时会在SCK的偶数边沿采样。如上方时序图中CPHA=1.

三.STM32中的SPI

SPI框图：

1.通信引脚

STM32的多个SPI被引出到不同引脚上，使用时必须配置指定引脚。

2.时钟控制逻辑

SCK时钟信号线由波特率发生器根据“控制寄存器 CR1”中的 BR[0:2]位控制，对fpclk分频后的频率就是SCK的时钟频率，其中的 fpclk频率是指 SPI 所在的 APB 总线频率，APB1 为 fpclk1，APB2 为 fpckl2。

3.数据控制逻辑

SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，向外发送数据时，数据寄存器会以发送缓冲区为数据源，把数据一位一位地发送出去；接收数据时，数据移位寄存器将数据线采样到的数据一位一位地存储到接收缓冲区中。通过写SPI数据寄存器（SPI_DR）可以将数据存到填充到发送 F 缓冲区中，通过读SPI数据寄存器（SPI_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（ SPI_CR1）的DFF位配置成 8 位及 16 位模式；配置 LSBFIRST 位可选择 MSB 先行还是 LSB 先行。