SPI协议并没有我想的那么简单

先说串口

之前写过一篇UART，通用串行异步通讯协议，感兴趣可以参考一下《 我打赌！你还不会UART 》； 因为UART没有时钟信号，无法控制何时发送数据，也无法保证双发按照完全相同的速度接收数据。因此，双方以不同的速度进行数据接收和发送，就会出现问题。

如果要解决这个问题，UART为每个字节添加额外的 起始位和 停止位，以帮助接收器在数据到达时进行同步；

双方还必须事先就 传输速度达成共识（设置相同的波特率，例如每秒9600位）。

传输速率如果有微小差异不是问题，因为接收器会在每个字节的开头重新同步。相应的协议如下图所示；

串口传输的过程

异步串行工作得很好，但是在每个字节发送的时候都需要额外的 起始位和 停止位以及在发送和接收数据所需的复杂硬件方面都有很多开销。

不难发现，如果接收端和发送端设置的速度都不一致，那么接收到的数据将是 垃圾（乱码）。

下面开始讲一下SPI协议，会有哪些优点。

SPI通讯协议

于是我们想有没有更好一点的串行通讯方式；相比较于 UART ， SPI 的工作方式略有不同。

SPI 是一个同步的数据总线，也就是说它是用 单独的数据线和 一个单独的时钟信号来保证 发送端和接收端的完美同步。

时钟是一个振荡信号，它告诉接收端在确切的时机对数据线上的信号进行采样。

产生时钟的一侧称为 主机，另一侧称为 从机。总是 只有一个主机（一般来说可以是 微控制器/MCU），但是可以有多个 从机（后面详细介绍）；

数据的采集时机可能是 时钟信号的 上升沿（从低到高）或 下降沿（从高到低）。

 

具体要看对SPI的配置；

 

整体的传输大概可以分为以下几个过程：

 

•  

  主机先将 NSS 信号拉低，这样保证开始接收数据；

   

•  

  当 接收端检测到时钟的边沿信号时，它将立即读取 数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1 bit ）;

   

  由于时钟是随数据一起发送的，因此指定 数据的传输速度并不重要，尽管设备将具有可以运行的最高速度（稍后我们将讨论选择合适的时钟边沿和速度）。

•  

  主机发送到 从机时：主机产生相应的时钟信号，然后数据 一位一位地将从 MOSI 信号线上进行发送到从机；

   

•  

  主机接收 从机数据：如果从机需要将数据发送回主机，则主机将继续生成预定数量的时钟信号，并且从机会将数据通过 MISO 信号线发送；

   

 

具体如下图所示；

SPI的时序

 

注意，SPI是“全双工”（具有单独的发送和接收线路），因此可以在同一时间发送和接收数据，另外SPI的接收硬件可以是一个简单的移位寄存器。这比异步串行通信所需的完整UART要简单得多，并且更加便宜；

SPI特性

 

SPI总线包括4条逻辑线，定义如下：

 

•  

  MISO： Master input slave output 主机输入，从机输出（数据来自从机）；

   

•  

  MOSI： Master output slave input 主机输出，从机输入（数据来自主机）；

   

•  

  SCLK： Serial Clock 串行时钟信号，由主机产生发送给从机；

   

•  

  SS： Slave Select 片选信号，由主机发送，以控制与哪个从机通信，通常是低电平有效信号。

   

 

其他制造商可能会遵循其他命名规则，但是最终他们指的相同的含义。以下是一些常用术语；

 

•  

  MISO也可以是 SIMO ， DOUT ， DO ， SDO 或 SO （在主机端）;

   

•  

  MOSI也可以是 SOMI ， DIN ， DI ， SDI 或 SI （在主机端）;

   

•  

  NSS也可以是 CE ， CS 或 SSEL ;

   

•  

  SCLK也可以是 SCK ;

   

 

本文将按照以下命名进行讲解 [MISO, MOSI, SCK，NSS]

下图显示了单个主机和单个从机之间的典型SPI连接。

主从连接 时钟频率

SPI总线上的主机必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。在每个SPI时钟周期内，都会发生 全双工数据传输。

主机在 MOSI 线上发送一位数据，从机读取它，而从机在 MISO 线上发送一位数据，主机读取它。

就算只进行单向的数据传输，也要保持这样的顺序。这就意味着无论接收任何数据，必须实际发送一些东西！在这种情况下，我们称其为虚拟数据；

从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是您想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

时钟极性 CKP/Clock Polarity

除了配置串行时钟速率（频率）外，SPI主设备还需要配置 时钟极性。

根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为 CKP或 CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据；

CKP可以配置为1或0。这意味着您可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。您必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。

 

•  

  CKP = 0 ：时钟空闲 IDLE 为低电平 0 ；

   

•  

  CKP = 1 ：时钟空闲 IDLE 为高电平 1 ；

   

时钟相位 CKE /Clock Phase (Edge)

 

除配置串行时钟速率和极性外，SPI主设备还应配置时钟相位（或边沿）。根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为 CKE或 CPHA；

顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

 

•  

  CKE = 0 ：在时钟信号 SCK 的第一个跳变沿采样；

   

•  

  CKE = 1 ：在时钟信号 SCK 的第二个跳变沿采样；

   

时钟配置总结

 

综上几种情况，下图总结了所有时钟配置组合，并突出显示了实际采样数据的时刻；

 

其中黑色线为采样数据的时刻；
蓝色线为SCK时钟信号；

 

具体如下图所示；

模式编号

SPI的时钟极性和相位的配置通常称为 SPI模式，所有可能的模式都遵循以下约定；具体如下表所示；

SPI Mode CPOL CPHA 0 [00] 0 0 1 [01] 0 1 2 [10] 1 0 3 [11] 1 1

除此之外，我们还应该仔细检查微控制器数据手册中包含的模式表，以确保一切正常。

多从机模式

前面说到SPI总线必须有一个主机，可以有多个从机，那么具体连接到SPI总线的方法有以下两种：

第一种方法：多NSS

 

1.  

   通常，每个从机都需要一条单独的SS线。

    

2.  

   如果要和特定的从机进行通讯，可以将相应的 NSS 信号线拉低，并保持其他 NSS 信号线的状态为高电平；如果同时将两个 NSS 信号线拉低，则可能会出现乱码，因为从机可能都试图在同一条 MISO 线上传输数据，最终导致接收数据乱码。

    

 

具体连接方式如下图所示；

多NSS连接

第二种方法：菊花链

在数字通信世界中，在设备信号（总线信号或中断信号）以串行的方式从一 个设备依次传到下一个设备，不断循环直到数据到达目标设备的方式被称为菊花链。

 

1.  

   菊花链的最大缺点是因为是信号串行传输，所以一旦数据链路中的某设备发生故障的时候，它下面优先级较低的设备就不可能得到服务了；

    

2.  

   另一方面，距离主机越远的从机，获得服务的优先级越低，所以需要安排好从机的优先级，并且设置总线检测器，如果某个从机超时，则对该从机进行短路，防止单个从机损坏造成整个链路崩溃的情况；

    

 

具体的连接如下图所示；

菊花链连接

 

其中红线加粗为数据的流向；

 

所以最终的数据流向图可以表示为：

数据流图

 

SCK为时钟信号，8clks表示8个边沿信号；
其中D为数据，X为无效数据；

 

所以不难发现，菊花链模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整个链充当通信移位寄存器，每个从机在下一个时钟周期将输入数据复制到输出。

优缺点SPI通讯的优势

使SPI作为串行通信接口脱颖而出的原因很多；

 

•  

  全双工串行通信；

   

•  

  高速数据传输速率。

   

•  

  简单的软件配置；

   

•  

  极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；

   

•  

  非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

   

SPI的缺点

•  

  没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；

   

•  

  通常仅支持一个主设备；

   

•  

  需要更多的引脚（与I2C不同）；

   

•  

  没有定义硬件级别的错误检查协议；

   

•  

  与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；

   

编程实现

 

下面是通过STM32的cubemx自动生成的HAL库代码，比较简单，截取了其中一部分，具体如下；

staticvoidMX_SPI1_Init( void)

{

hspi1.Instance = SPI1;

hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; //主机模式

hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; //全双工

hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; //数据位为8位

hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; //CPOL=0

hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; //CPHA为数据线的第一个变化沿

hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; //软件控制NSS

hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2; //2分频，32M/2=16MHz

hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; //最高位先发送

hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; //TIMODE模式关闭

hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; //CRC关闭

hspi1.Init.CRCPolynomial = 10; //默认值，无效

if(HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK) //初始化

{

_Error_Handler(__FILE__, __LINE__);

}

}

//发送数据

HAL_StatusTypeDef

HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi,

uint8_t*pData,

uint16_tSize,

uint32_tTimeout) ;

//接收数据

HAL_StatusTypeDef

HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi,

uint8_t*pData,

uint16_tSize,

uint32_tTimeout) ;

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