SPI协议解析

概述

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，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，越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200。 SPI是一种高速、高效率的串行接口技术。通常由一个主模块和一个或多个从模块组成，主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换。SPI是一个环形结构，通信时需要至少4根线（事实上在单向传输时3根线也可以）。

接口

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。

• MISO– Master Input Slave Output,主设备数据输入，从设备数据输出；
• MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
• SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；
• CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。

其中，CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），才能完成8位数据的传输。 时钟信号线SCLK只能由主设备控制，从设备不能控制。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主设备。这样的传输方式有一个优点，在数据位的传输过程中可以暂停，也就是时钟的周期可以为不等宽，因为时钟线由主设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。SPI还是一个数据交换协议：因为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。芯片集成的SPI串行同步时钟极性和相位可以通过寄存器配置，IO模拟的SPI串行同步时钟需要根据从设备支持的时钟极性和相位来通讯。 最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

SPI四种通信模式

不同的从设备可能在出厂是就是配置为某种模式，这是不能改变的；但我们的通信双方必须是工作在同一模式下，所以我们可以对我们的主设备的SPI模式进行配置，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来 控制我们主设备的通信模式，具体如下： 时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平： CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时 CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时 时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间。 CPHA=0，在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。，在第2个边沿发送数据 CPHA=1，在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样。，在第1个边沿发送数据 例如： Mode0：CPOL=0，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿(准备数据），（发送数据）数据发送是在下降沿。

Mode1：CPOL=0，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

Mode2：CPOL=1，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

Mode3：CPOL=1，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

SPI模式	CPOL	CPOA	空闲时SCK时钟	采样时刻
0	0	0	低电平	奇数边沿
1	0	1	低电平	偶数边沿
2	1	0	高电平	奇数边沿
3	1	1	高电平	偶数边沿

这样两两组合就出现了4种通讯模式，但是通信原理是一样的。

示例

使用之前的文章作为案例：STM32CUBEMX(13)--SPI，W25Q128外部Flash移植。 https://editor.csdn.net/md/?articleId=117756829 使用BSP_W25Qx_Init进行初始化，BSP_W25Qx_Read_ID进行读取设备ID。

uint8_t BSP_W25Qx_Init(void)
{ 
    /* Reset W25Qxxx */
    BSP_W25Qx_Reset();

    return BSP_W25Qx_GetStatus();
}

/**
  * @brief  This function reset the W25Qx.
  * @retval None
  */
static void    BSP_W25Qx_Reset(void)
{
    uint8_t cmd[2] = {RESET_ENABLE_CMD,RESET_MEMORY_CMD};

    W25Qx_Enable();
    /* Send the reset command */
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 2, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);    
    W25Qx_Disable();

}

/**
  * @brief  Reads current status of the W25Q128FV.
  * @retval W25Q128FV memory status
  */
static uint8_t BSP_W25Qx_GetStatus(void)
{
    uint8_t cmd[] = {READ_STATUS_REG1_CMD};
    uint8_t status;

    W25Qx_Enable();
    /* Send the read status command */
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 1, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);    
    /* Reception of the data */
    HAL_SPI_Receive(&hspi1,&status, 1, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);
    W25Qx_Disable();

    /* Check the value of the register */
  if((status & W25Q128FV_FSR_BUSY) != 0)
  {
    return W25Qx_BUSY;
  }
    else
    {
        return W25Qx_OK;
    }        
}
/**
  * @brief  Read Manufacture/Device ID.
    * @param  return value address
  * @retval None
  */
void BSP_W25Qx_Read_ID(uint8_t *ID)
{
    uint8_t cmd[4] = {READ_ID_CMD,0x00,0x00,0x00};

    W25Qx_Enable();
    /* Send the read ID command */
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd, 4, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);    
    /* Reception of the data */
    HAL_SPI_Receive(&hspi1,ID, 2, W25Qx_TIMEOUT_VALUE);
    W25Qx_Disable();

}

定义如下。

/* Reset Operations */
#define RESET_ENABLE_CMD                     0x66
#define RESET_MEMORY_CMD                     0x99
/* Identification Operations */
#define READ_ID_CMD                          0x90

首先进行初始化，函数为BSP_W25Qx_Init()，其中含有2个函数，分别是BSP_W25Qx_Reset()和BSP_W25Qx_GetStatus()；在BSP_W25Qx_Reset()中为发生0x66和0x99，在BSP_W25Qx_GetStatus()中为发生0x05，之后获取一个uint8_t类型的数据。 之后进行读取ID，函数为BSP_W25Qx_Read_ID()，首先发送4个字节的数据，分别是0x90,0x00,0x00,0x00,之后读取设备ID，为2个字节的数据，W25Q128的ID为0XEF17。 HAL_SPI_Transmit，HAL_SPI_Received都是半工通信，HAL_SPI_Transmits使用的时候MOSI上有数据，忽略MISO，HAL_SPI_Received反之，HAL_SPI_TransmitReceive是全双工通信，发送数据的同时也在接收数据，故在HAL_SPI_Receive读取的时候，虽然也有发送数据，但是忽略。 通过示波器抓取的波形如下所示。 首先查看初始化设备发送的0x66和0x99的波形。 在查看读取设备ID发送的0x90,0x00,0x00,0x00的波形。 在查看设备发送给主机的ID波形。 HAL_SPI_Transmit，HAL_SPI_Received都是半工通信，故在HAL_SPI_Receive读取的时候，虽然也有发送数据，但是忽略。

审核编辑：汤梓红