本文详细介绍了SPI（串行外设接口）的基本概念、工作原理及四种工作模式的时序。SPI是一种高速、全双工、同步的通信总线，广泛应用于EEPROM、FLASH等设备间的数据交换。文中还提供了STM32和TM4C的SPI配置代码示例，包括引脚复用、时钟配置、数据传输等关键步骤。
- 小结关于spi的内容，附TM4C & stm32配置代码
一、SPI简介
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这里直接照搬正点原子的介绍词：SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议
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spi是一种串行设备，需要时钟信号控制着数据传输。设备间有主机和从机之分，从机的时钟信号只能来自主机，因此主机必须存在。
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spi有四根连接线线“：
MOSI是从机到主机的信号传输；MOSI是主机到从机的信号传输；SCLK是时钟线，控制数据传递过程；CS是片选线，主机通过它选定通讯对象，这允许一主多从连接 -
spi协议允许信号一位一位传输
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spi的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。事实上这是一个数据交换协议，主从双方各有一个移位寄存器，主机向其移位寄存器传送一个数据来启动一次传输。主从机移位寄存器中的一个数据通过
MOSI和MISO交换。因此如果想只读或只写一个数据，都需要传输无效数据，无效数据在收到后应被忽略
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spi的缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据
二、硬件连接
- spi有四根连接线
SDO/MOSI：主机输出，从机输入SDI/MISO：主机输入，从机输出SCK/SCLK：时钟信号（由主机控制）CS：从设备使能信号，即片选信号（由主机控制）
- 一主一从连接
- 一主多从连接
三、四种工作模式的时序
- SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置。可配置的两个位为：
| 位 | 作用 | 描述 |
|---|---|---|
| CPOL | 时钟极性选择 | 为0时SPI总线空闲为低电平，为1时SPI总线空闲为高电平，对传输协议没有重大的影响 |
| CPHA | 时钟相位选择 | 为0时在SCK第一个跳变沿采样，为1时在SCK第二个跳变沿采样 |
- 就像前面那个动图显示的，SPI是一个环形总线结构，无论哪种工作方式，都可以看作是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
- 根据配置，当sck的某个边沿到来时，主从双方移位寄存器中高位的值被采样到线上，寄存器移动一位，最低位暂时悬空，当下一个紧接着的边沿边沿到来时，线上的数据传送到双方移位寄存器低位，从而完成数据交换
（1）工作方式1
- CPHA=0，CPOL=0；总线空闲为低电平，在SCK第一个跳变沿采样
- 时序图：
（2）工作方式2
- CPHA=0，CPOL=1；总线空闲为高电平，在SCK第一个跳变沿采样
- 时序图：
（3）工作方式3
- CPHA=1，CPOL=0；总线空闲为低电平，在SCK第二个跳变沿采样
- 时序图：
（4）工作方式4
- CPHA=1，CPOL=1；总线空闲为高电平，在SCK第二个跳变沿采样
- 时序图：
（5）注意
- 在主设备这边配置SPI接口时钟的时候一定要弄清楚从设备的时钟要求，因为主设备这边的时钟极性和相位都是以从设备为基准的。
- 注意主SDO连接从SDI，主SDO的极性和从SDI相反，和从SDO相同。例如：从设备在时钟上升沿接收数据，则主设备应在下降沿输出数据
四、spi示例代码
（1）stm32f4标准库版本
- 来自正点原子探索者例程
- stm32作为主机，配置流程为：
- 配置相关引脚复用功能，使能spi时钟
- 初始化spi，配置spi工作模式
- 使能spi
SPI_Cmd() - 利用spi传输数据
SPI_I2S_SendData()和SPI_I2S_ReceiveData() - 查看spi状态
SPI_I2S_GetFlagStatus()
- 以下为正点原子的代码
//以下是SPI模块的初始化代码，配置成主机模式
//SPI口初始化
//这里针是对SPI1的初始化
void SPI1_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); //使能GPIOB时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); //使能SPI1时钟
//GPIOFB3,4,5初始化设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5; //PB3~5复用功能输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; //复用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_SPI1); //PB3复用为 SPI1
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource4,GPIO_AF_SPI1); //PB4复用为 SPI1
GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_SPI1); //PB5复用为 SPI1
//这里只针对SPI口初始化
RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE); //复位SPI1
RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,DISABLE); //停止复位SPI1
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //设置SPI工作模式:设置为主SPI
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //串行同步时钟的空闲状态为高电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS信号（CS）由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC值计算的多项式
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI外设
SPI1_ReadWriteByte(0xff); //启动传输
}
//SPI1速度设置函数
//SPI速度=fAPB2/分频系数
//@ref SPI_BaudRate_Prescaler:SPI_BaudRatePrescaler_2~SPI_BaudRatePrescaler_256
//fAPB2时钟一般为84Mhz：
void SPI1_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{
assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler)); //判断有效性
SPI1->CR1&=0XFFC7; //位3-5清零，用来设置波特率
SPI1->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler; //设置SPI1速度
SPI_Cmd(SPI1,ENABLE); //使能SPI1
}
//SPI1 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData)
{
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){} //等待发送区空
SPI_I2S_SendData(SPI1, TxData); //通过外设SPIx发送一个byte 数据
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){} //等待接收完一个byte
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //返回通过SPIx最近接收的数据
}
（2）TM4C123版本
- 来自匿名拓空者飞控源码
- TM4C的封装度比stm32高一些，不过spi配置使用流程基本一样的
void Drv_Spi0Init(void)
{
ROM_SysCtlPeripheralEnable( SYSCTL_PERIPH_SSI0 );
ROM_SysCtlPeripheralEnable(SPI0_SYSCTL);
/*配置IO口*/
ROM_GPIOPinTypeSSI(SPI0_PROT,SPI0_CLK_PIN|SPI0_RX_PIN|SPI0_TX_PIN);
ROM_GPIOPinConfigure(SPI0_CLK);
ROM_GPIOPinConfigure(SPI0_RX);
ROM_GPIOPinConfigure(SPI0_TX);
/* SSI配置 模式3(Polarity = 1 Phase = 1) 主设备模式 速率1MHz 数据长度8位*/
ROM_SSIConfigSetExpClk(SPI0_BASE, ROM_SysCtlClockGet(), SSI_FRF_MOTO_MODE_3, SSI_MODE_MASTER, 10000000, 8);
/*开启SSI0*/
ROM_SSIEnable(SPI0_BASE);
}
/* SPI读写函数 */
uint8_t Drv_Spi0SingleWirteAndRead(uint8_t SendData)
{
uint32_t ui_TempData;
uint8_t uc_ReceiveData;
/* 向SSI FIFO写入数据 */
ROM_SSIDataPut(SPI0_BASE, SendData);
/* 等待SSI不忙 */
while(ROM_SSIBusy(SPI0_BASE));
/* 从FIFO读取数据 */
ROM_SSIDataGet(SPI0_BASE, &ui_TempData);
/* 截取数据的低八位 */
uc_ReceiveData = ui_TempData & 0xff;
return uc_ReceiveData;
}
void Drv_Spi0Transmit(uint8_t *ucp_Data, uint16_t us_Size)
{
uint16_t i = 0;
/* 连续写入数据 */
for(i = 0; i < us_Size; i++)
{
Drv_Spi0SingleWirteAndRead(ucp_Data[i]);
}
}
void Drv_Spi0Receive(uint8_t *ucp_Data, uint16_t us_Size)
{
uint16_t i = 0;
/* 连续读取数据 */
for(i = 0; i < us_Size; i++)
{
ucp_Data[i] = Drv_Spi0SingleWirteAndRead(0xFF);
}
}
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