SPI工作原理

普中STM32开发板带您进入ARM世界SPI工作原理普中STM32开发板带您进入ARM世界一.SPI简介SPI，是SerialPeripheralinterface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。普中STM32开发板带您进入ARM世界二.SPI特征●3线全双工同步传输●8或16位传输帧格式选择●主或从操作,支持多主模式●8个主模式波特率预分频系数(最大为fPCLK/2)●主模式和从模式下均可以由软件或硬件进行NSS管理：主/从操作模式的动态改变●可编程的时钟极性和相位●可编程的数据顺序，MSB在前或LSB在前●可触发中断的专用发送和接收标志●SPI总线忙状态标志●支持可靠通信的硬件CRC●可触发中断的主模式故障、过载以及CRC错误标志●支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器：产生发送和接受请求普中STM32开发板带您进入ARM世界三.SPI工作模式SPI通信中可作为从机也可以作为主机，这取决于硬件设计和软件设置。当器件作为主机时，使用一个IO引脚拉低相应从机的选择引脚(NSS)，传输的起始由主机发送数据来启动，时钟(SCK)信号由主机产生。通过MOSI发送数据，同时通过MISO引脚接收从机发出的数据。当器件作为从机时，传输在从机选择引脚(NSS)被主机拉低后开始，接收主机输出的时钟信号，在读取主机数据的同时通过MISO引脚输出数据。普中STM32开发板带您进入ARM世界四.SPI框图普中STM32开发板带您进入ARM世界通常SPI通过4个引脚与外部器件相连：●MISO：主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。●MOSI：主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。●SCK：串口时钟，作为主设备的输出，从设备的输入。●NSS：从设备选择。这是一个可选的引脚，用来选择主/从设备。它的功能是用来作为“片选引脚”,让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。从设备的NSS引脚可以由主设备的一个标准I/O引脚来驱动。普中STM32开发板带您进入ARM世界五.(NSS)输出管理对于每个SPI的NSS可以输入，也可以输出。所谓输入，就是NSS的电平信号给自己，所谓输出，就是将NSS的电平信号发送出去，给从机。配置为输出，还是不输出，我们可以通过SPI_CR2寄存器的SSOE位。当SSOE=1时，并且SPI处于主模式控制时(MSTR=1)，NSS就输出低电平，也就是拉低，因此当其他SPI设备的NSS引脚与它相连，必然接收到低电平，则片选成功，都成为从设备了。普中STM32开发板带您进入ARM世界六.(NSS)输入管理•NSS软件模式：1.SPI主机:需要设置SPI_CR1寄存器的SSM=1和SSI=1，SSM=1是为了使能软件管理，NSS有内部和外部引脚。这时候外部引脚留作他用（可以用来作为GPIO驱动从设备的片选信号）。内部NSS引脚电平则通过SPI_CRL寄存器的SSI位来驱动。SSI=1是为了使NSS内电平为高电平。为什么主设备的内部NSS电平要为1呢？STM32手册上说，要保持MSTR=1和SPE=1，也就是说要保持主机模式,只有NSS接到高电平信号时，这两位才能保持置‘1’。2.SPI从机:NSS引脚在完成字节传输之前必须连接到一个低电平信号。在软件模式下，则需要设置SPI_CR1寄存器的SSM=1（软件管理使能）和SSI=0.•NSS硬件模式:对于主机，我们的NSS可以直接接到高电平.对于从机，NSS接低就可以。普中STM32开发板带您进入ARM世界七.SPI传输原理从图上可以有知道，SPI数据的传输过程其实是通过一个移位寄存器来完成的，主机将自己的移位寄存器的数据移出，同时从机的移位寄存器数据移入，同时将自己的数据移出。简单的来理解，就像将两个寄存器贴在一起，然后进行循环左移或者循环右移（SPI的传输可以选择先发送高位还是先发送低位。），直到两个寄存器的数据交换为止。而时钟信号SCLK就是控制传输速率的。普中STM32开发板带您进入ARM世界八.时钟信号的相位和极性SPI_CR寄存器的CPOL和CPHA位，能够组合成四种可能的时序关系。CPOL(时钟极性)位控制在没有数据传输时时钟的空闲状态电平，此位对主模式和从模式下的设备都有效。如果CPOL被清’0’，SCK引脚在空闲状态保持低电平；如果CPOL被置’1’，SCK引脚在空闲状态保持高电平。如果CPHA(时钟相位)位被置’1’，SCK时钟的第二个边沿(CPOL位为0时就是下降沿，CPOL位为’1’时就是上升沿)进行数据位的采样，数据在第二个时钟边沿被锁存。如果CPHA位被清’0’，SCK时钟的第一边沿(CPOL位为’0’时就是下降沿，CPOL位为’1’时就是上升沿)进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存。CPOL时钟极性和CPHA时钟相位的组合选择数据捕捉的时钟边沿。普中STM32开发板带您进入ARM世界1.数据时钟时序图普中STM32开发板带您进入ARM世界2.数据时钟时序图普中STM32开发板带您进入ARM世界九.数据帧格式根据SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位，输出数据位时可以MSB在先也可以LSB在先。根据SPI_CR1寄存器的DFF位，每个数据帧可以是8位或是16位。所选择的数据帧格式对发送和/或接收都有效。普中STM32开发板带您进入ARM世界十.SPI主模式工作原理•配置SPI主模式的步骤如下：–设置SPI_CR1寄存器的BR[2:0]位，来定义串行时钟波特率。–选择CPOL和CPHA位，定义数据传输和串行时钟间的相位关系。–设置DFF位来定义8或16位数据帧格式。–配置SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位定义帧格式。–如果NSS引脚需要工作在输入模式，硬件模式中在整个数据帧传输期间应把NSS引脚连接到高电平；在软件模式中，需设置SPI_CR1寄存器的SSM=1和SSI=1。如果NSS引脚工作在输出模式，则只需设置SSOE=1位。–设置MSTR=1和SPE=1，只当NSS引脚被连到高电平，这些位才能保持置位。普中STM32开发板带您进入ARM世界十一.SPI从模式工作原理•配置SPI从模式的步骤如下：–设置DFF位以定义数据帧格式为8位或16位。–定义数据传输和串行时钟之间的相位关系。–帧格式必须和主设备相同，MSB在前还是LSB在前取决于SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位。–硬件模式下，在完整的数据帧(8位或16位)发送过程中，NSS引脚必须为低电平。软件模式下，设置SPI_CR1寄存器中的SSM=1，SSI=0。–MSTR=0位，设置SPE=1，使相应引脚工作于SPI模式下。普中STM32开发板带您进入ARM世界十二.状态标志应用程序通过3个状态标志可以完全监控SPI总线的状态。1.发送缓冲器空闲标志(TXE)此标志为’1’时表明发送缓冲器为空，可以写下一个待发送的数据进入缓冲器中。当写入SPI_DR时，TXE标志被清除。2.接收缓冲器非空(RXNE)此标志为’1’时表明在接收缓冲器中包含有效的接收数据。读SPI数据寄存器可以清除此标志。3.忙(Busy)标志BSY标志由硬件设置与清除(写入此位无效果)，此标志表明SPI通信层的状态。普中STM32开发板带您进入ARM世界十三.SPI中断