【STM32 学习笔记】I2C通信协议

注：通信协议的设计背景 3:00~10:13

   I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强， 不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
  I2C总线是一种用于芯片之间进行通信的串行总线。它由两条线组成：串行时钟线（SCL）和串行数据线（SDA）。这种总线允许多个设备在同一条总线上进行通信。

物理层

I2C通讯设备之间的常用连接方式见图

I2C通信协议是一种通用的总线协议。I2C通信协议有以下特征：

• (1) 它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中， 可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
• (2) 一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ， 一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
• (3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址， 主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
• (4) 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态， 而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
• (5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突， 会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
• (6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ， 高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
• (7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制
• SDA数据线在每个SCL的时钟周期传输一位数据，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效。
• 应答信号和非应答信号I2C的数据和地址传输都带响应。
  
    一主多从是指单片机作为主机，主导I2C总线的运行。挂在I2C总线上的所有外部模块都是从机，只有被主机点名后才能控制I2C总线，不能在未经允许的情况下访问I2C总线，以防止冲突。这就像在课堂上，老师是主机，学生是从机。未经点名允许，学生不能发言，但可以被动地听老师讲课。
    另外，I2C还支持多主多从模型，即多个主机。在多主多从模型中，总线上任何一个模块都可以主动跳出来说，接下来我就是主机，你们都得听我的。这就像在教室里，老师正在讲课，突然一个学生站起来说，打断一下，接下来让我来说，所有同学听我指挥。但是，同一个时间只能有一个人说话，这时就相当于发生了总线冲突。在总线冲突时，I2C协议会进行仲裁，仲裁胜利的一方取得总线控制权，失败的一方自动变回从机。由于时钟线也由主机控制，所以在多主机的模型下还要进行时钟同步。多主机的情况下，协议是比较复杂的。本课程仅使用一主多从模型。
  以上是有关I2C的设计背景和基本功能。接下来我们将详细分析I2C如何实现这些功能。  作为一个通信协议，I2C必须在硬件和软件上作出规定。硬件上的规定包括电路的连接方式、端口的输入输出模式等；软件上的规定包括时序的定义、字节的传输方式、高位先行还是低位先行等。这些硬件和软件的规定结合起来构成了一个完整的通信协议。

协议层

  I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

I2C基本读写过程

先看看I2C通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图

接下来我们先看一下12C的硬件规定，也就是I2C的硬件电路

I2C的硬件电路

这个图就是I2C的典型电路模型，这个模型采用了一主多从的结构。在左侧，我们可以看到CPU作为主设备，控制着总线并拥有很大的权利。其中，主机对SCL线拥有完全的控制权，无论何时何地，主机都负责掌控SCL线。在空闲状态下，主机还可以主动发起对SDA的控制。但是，从机发送数据或应答时，主机需要将SDA的控制权转交给从机。
接下来，我们看到了一系列被控IC，它们是挂载在12C总线上的从机设备，如姿态传感器、OLED、存储器、时钟模块等。这些从机的权利相对较小。对于SCL时钟线，它们在任何时刻都只能被动的读取，不允许控制SCL线；对于SDA数据线，从机也不允许主动发起控制，只有在主机发送读取从机的命令后，或从机应答时，从机才能短暂地取得SDA的控制权。这就是一主多从模型中协议的规定。
然后我们来看接线部分。所有I2C设备的SCL和SDA都连接在一起。主机的SCL线拉出来，所有从机的SCL都接在这上面。主机的SDA线也是一样，拉出来，所有从机的SDA接在这上面。这就是SCL和SDA的接线方式。
那到现在，我们先不继续往后看了，先忽略这两个电阻，那到现在，假设我们就这样连接，那如何规定每个设备SCL和SDA的输入输出模式呢？
由于现在是一主多从结构，主机拥有SCL的绝对控制权，因此主机的SCL可以配置成推挽输出，所有从机的SCL都配置成浮空输入或上拉输入。数据流向为主机发送、所有从机接收。但是到SDA线这里就比较复杂了，因为这是半双工协议，所以主机的SDA在发送时是输出，在接收时是输入。同样地，从机的SDA也会在输入和输出之间反复切换。如果能够协调好输入输出的切换时机就没有问题。但是这样做的话，如果总线时序没有协调好，就极有可能发生两个引脚同时处于输出的状态。如果此时一个引脚输出高电平，一个引脚输出低电平，就会造成电源短路的情况，这是要极力避免的。
为了避免这种情况的发生，I2C的设计规定所有设备不输出强上拉的高电平，而是采用外置弱上拉电阻加开漏输出的电路结构。这两点规定对应于前面提到的“设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式”以及“SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右”。对应上面这个图。

所有的设备，包括CPU和被控IC，它们的引脚内部结构都如上图所示。图左侧展示的是SCL的结构，其中SClk代表SCL；右侧则是SDA的结构，其中DATA代表SDA。引脚的信号输入都可以通过一个数据缓冲器或施密特触发器进行，因为输入对电路无影响，所以任何设备在任何时刻都可以输入。然而，在输出部分，采用的是开漏输出的配置。

正常的推挽输出方式如下：上面一个开关管连接正极，下面一个开关管连接负极。当上面导通时，输出高电平；下面导通时，输出低电平。因为这是通过开关管直接连接到正负极的，所以这是强上拉和强下拉的模式。
而开漏输出呢，就是去掉这个强上拉的开关管，输出低电平时，下管导通，是强下拉，输出高电平时，下管断开，但是没有上管了，此时引脚处于浮空的状态，这就是开漏输出。

和这里图示是一样的，输出低电平，这个开关管导通，引脚直接接地，是强下拉，输出高电平，这个开关管断开，引脚什么都不接，处于浮空状态，这样的话，所有的设备都只能输出低电平而不能输出高电平，为了避免高电平造成的引脚浮空，这时就需要在总线外面，SCL和SDA各外置一个上拉电阻，这是通过一个电阻拉到高电平的，所以这是一个弱上拉。
UP主用弹簧和杆子的模型解释这一段硬件电路设计
这样做的好处是：

• 第一，完全杜绝了电源短路现象，保证电路的安全。你看所有人无论怎么拉杆子或者放手，杆子都不会处于一个被同时强拉和强推的状态，即使有多个人同时往下拉杆子，也没问题
• 第二，避免了引脚模式的频繁切换。开漏加弱上拉的模式，同时兼具了输入和输出的功能，你要是想输出，就去拉杆子或放手，操作杆子变化就行了，你要是想输入，就直接放手，然后观察杆子高低就行了，因为开漏模式下，输出高电平就相当于断开引脚，所以在输入之前，可以直接输出高电平，不需要再切换成输入模式了。
• 第三，就是这个模式会有一个“线与”的现象。就是只要有任意一个或多个设备输出了低电平，总线就处于低电平，只有所有设备都输出高电平，总线才处于高电平。I2C可以利用这个电路特性执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁，所以这里SCL虽然在一主多从模式下可以用推挽输出，但是它仍然采用了开漏加上拉输出的模式，因为在多主机模式下会利用到这个特征。

好，以上就是I2C的硬件电路设计，那接下来，我们就要来学习软件，也就是时序的设计了。

I2C时序设计

首先我们来学习一下I2C规定的一些时序基本单元。

起始和终止条件

起始条件是指SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平。在I2C总线处于空闲状态时，SCL和SDA都处于高电平状态，由外挂的上拉电阻保持。当主机需要数据收发时，会首先产生一个起始条件。这个起始条件是，SCL保持高电平，然后把SDA拉低，产生一个下降沿。当从机捕获到这个SCL高电平，SDA下降沿信号时，就会进行自身的复位，等待主机的召唤。之后，主机需要将SCL拉低。这样做一方面是占用这个总线，另一方面也是为了方便这些基本单元的拼接。这样，除了起始和终止条件，每个时序单元的SCL都是以低电平开始，低电平结束。

终止条件是，SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平。SCL先放开并回弹到高电平，SDA再放开并回弹高电平，产生一个上升沿。这个上升沿触发终止条件，同时终止条件之后，SCL和SDA都是高电平，回归到最初的平静状态。这个起始条件和终止条件就类似串口时序里的起始位和停止位。一个完整的数据帧总是以起始条件开始、终止条件结束。另外，起始和终止都是由主机产生的。因此，从机必须始终保持双手放开，不允许主动跳出来去碰总线。如果允许从机这样做，那么就会变成多主机模型，不在本节的讨论范围之内。这就是起始条件和终止条件的含义。

发送一个字节

接着继续看，在起始条件之后，这时就可以紧跟着一个发送一个字节的时序单元，如何发送一个字节呢？

就这样的流程，主机拉低SCL，把数据放在SDA上，主机松开SCL，从机读取SDA的数据，在SCL的同步下，依次进行主机发送和从机接收，循环8次，就发送了8位数据，也就是一个字节，另外注意，这里是高位先行，所以第一位是一个字节的最高位B7，然后依次是次高位B6…

接收一个字节

那我们再继续看最后两个基本单元，就是应答机制的设计。

发送应答和接收应答

发一字节收一位，收一字节发一位

应用：

I2C从机地址

12C的完整时序，主要有指定地址写,当前地址读和指定地址读这3种。
首先注意的是，我们这个12C是一主多从的模型，主机可以访问总线上的任何一个设备，那如何发出指令，来确定要访问的是哪个设备呢？
为了解决这个问题，我们需要为每个从设备分配一个唯一的设备地址。这些地址就像是每个设备的名字，主机通过发送这些地址来确定要与哪个设备通信。

当主机发送一个地址时，所有的从设备都会收到这个地址。但是，只有与发送的地址匹配的设备会响应主机的读写操作。
在I2C总线中，每个挂载的设备的地址必须是唯一的，否则当主机发送一个地址时，多个设备响应，就会导致混乱。
在12C协议标准中，从机设备地址分为7位和10位两种。我们今天主要讨论7位地址，因为它们相对简单且应用广泛。

每个I2C设备在出厂时都会被分配一个7位的地址。例如，MPU6050的7位地址是1101 000，而AT24C02的7位地址是1010 000。不同型号的芯片地址是不同的，但相同型号的芯片地址是相同的。
如果多个相同型号的芯片挂载在同一条总线上，我们可以通过调整地址的最后几位来解决这个问题。例如，MPU6050的地址可以通过ADO引脚来改变，而AT24C02的地址可以通过A0、A1、A2引脚来改变。这样，即使相同型号的芯片，挂载在同一个总线上，也可以通过切换地址低位的方式，保证每个设备的地址都是唯一的。这就是12C设备的从机地址。

下面时序讲解详情
注意：时序里面的RA是接收从机的应答位(Receive Ack, RA)

指定地址写

(Sláve Address + R/W) 中最后一位 0=W（写），根据协议规定，紧跟着的单元，就得是接收从机的应答位（Receive Ack， RA），在这个时刻，主机要释放SDA，
所以如果单看主机的波形，应该是这样，

释放SDA之后，引脚电平回弹到高电平，但是根据协议规定，从机要在这个位拉低SDA，所以单看从机的波形，应该是这样（绿色线）

该应答的时候，从机立刻拽住SDA，然后应答结束之后，从机再放开SDA，那现在综合两者的波形，结合线与的特性，在主机释放SDA之后，由于SDA也被从机拽住了，所以主机松手后，SDA并没有回弹高电平，这个过程，就代表从机产生了应答。最终高电平期间，主机读取SDA，发现是0，就说明，我进行寻址，有人给我应答了。如果主机读取SDA，发现是1，就说明，我进行寻址，应答位期间，我松手了，但是没人拽住它，没人给我应答，那就直接产生停止条件吧，并提示一些信息，这就是应答位。
然后这个上升沿，就是应答位结束后，从机释放SDA产生的，从机交出了SDA的控制权，因为从机要在低电平尽快变换数据，所以这个上升沿和SCL的下降沿，几乎是同时发生的。

当前地址读

指定地址读

指定地址读=指定地址写+当前地址读

Sr (Start Repeat)的意思就是重复起始条件，因为指定读写标志位只能是跟着起始条件的第一个字节，所以如果想切换读写方向，只能再来个起始条件。然后起始条件后，重新寻址并且指定读写标志位

代码实战：10-1 软件I2C读写MPU6050

由于我们这个代码使用的是软件I2C，就是用普通的GPIO口，手动翻转电平实现的协议，它并不需要STM32内部的外设资源支持，所以这里的端口（SDA，SCL），其实可以任意指定，不局限于这两个端口，你也可以SCL接PAO，SDA接PB12，或者SCL接PA8,SDA接PA9看，等等等等，接在任意的两个普通的GPIO口就可以。
软件I2C，只需要用gpio的读写函数就行了，就不用I2C的库函数了。

程序的整体框架：

MyI2C.h

#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_Hvoid MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);#endif

MyI2C.C

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"/*引脚配置层*//*** 函    数：I2C写SCL引脚电平* 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SCL的电平，范围0~1* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SCL为低电平，当BitValue为1时，需要置SCL为高电平*/
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SCL引脚的电平Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}/*** 函    数：I2C写SDA引脚电平* 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SDA的电平，范围0~0xFF* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SDA为低电平，当BitValue非0时，需要置SDA为高电平*/
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SDA引脚的电平，BitValue要实现非0即1的特性Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求
}/*** 函    数：I2C读SDA引脚电平* 参    数：无* 返 回 值：协议层需要得到的当前SDA的电平，范围0~1* 注意事项：此函数需要用户实现内容，当前SDA为低电平时，返回0，当前SDA为高电平时，返回1*/
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{uint8_t BitValue;BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);		//读取SDA电平Delay_us(10);												//延时10us，防止时序频率超过要求return BitValue;											//返回SDA电平
}/*** 函    数：I2C初始化* 参    数：无* 返 回 值：无* 注意事项：此函数需要用户实现内容，实现SCL和SDA引脚的初始化*/
void MyI2C_Init(void)
{/*开启时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	//开启GPIOB的时钟/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					//将PB10和PB11引脚初始化为开漏输出/*设置默认电平*/GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);			//设置PB10和PB11引脚初始化后默认为高电平（释放总线状态）
}/*协议层*//*** 函    数：I2C起始* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MyI2C_Start(void)
{MyI2C_W_SDA(1);							//释放SDA，确保SDA为高电平MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，确保SCL为高电平MyI2C_W_SDA(0);							//在SCL高电平期间，拉低SDA，产生起始信号MyI2C_W_SCL(0);							//起始后把SCL也拉低，即为了占用总线，也为了方便总线时序的拼接
}/*** 函    数：I2C终止* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MyI2C_Stop(void)
{MyI2C_W_SDA(0);							//拉低SDA，确保SDA为低电平MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，使SCL呈现高电平MyI2C_W_SDA(1);							//在SCL高电平期间，释放SDA，产生终止信号
}/*** 函    数：I2C发送一个字节* 参    数：Byte 要发送的一个字节数据，范围：0x00~0xFF* 返 回 值：无*/
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{uint8_t i;for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次发送数据的每一位{MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));	//使用掩码的方式取出Byte的指定一位数据并写入到SDA线MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，从机在SCL高电平期间读取SDAMyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，主机开始发送下一位数据}
}/*** 函    数：I2C接收一个字节* 参    数：无* 返 回 值：接收到的一个字节数据，范围：0x00~0xFF*/
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{uint8_t i, Byte = 0x00;					//定义接收的数据，并赋初值0x00，此处必须赋初值0x00，后面会用到MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送for (i = 0; i < 8; i ++)				//循环8次，主机依次接收数据的每一位{MyI2C_W_SCL(1);						//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDAif (MyI2C_R_SDA() == 1){Byte |= (0x80 >> i);}	//读取SDA数据，并存储到Byte变量//当SDA为1时，置变量指定位为1，当SDA为0时，不做处理，指定位为默认的初值0MyI2C_W_SCL(0);						//拉低SCL，从机在SCL低电平期间写入SDA}return Byte;							//返回接收到的一个字节数据
}/*** 函    数：I2C发送应答位* 参    数：Byte 要发送的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答* 返 回 值：无*/
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{MyI2C_W_SDA(AckBit);					//主机把应答位数据放到SDA线MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，从机在SCL高电平期间，读取应答位MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块
}/*** 函    数：I2C接收应答位* 参    数：无* 返 回 值：接收到的应答位，范围：0~1，0表示应答，1表示非应答*/
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{uint8_t AckBit;							//定义应答位变量MyI2C_W_SDA(1);							//接收前，主机先确保释放SDA，避免干扰从机的数据发送MyI2C_W_SCL(1);							//释放SCL，主机机在SCL高电平期间读取SDAAckBit = MyI2C_R_SDA();					//将应答位存储到变量里MyI2C_W_SCL(0);							//拉低SCL，开始下一个时序模块return AckBit;							//返回定义应答位变量
}

函数逻辑：

• void MyI2C_Start(void)
  
  如果起始条件之前SCL和SDA已经是高电平了，那先释放哪一个是一样的效果，但是在指定地址读中，为了改变读写标志位，我们这个Start还要兼容这里的重复起始条件Sr。
  
  Sr最开始，SCL是低电平，SDA电平不敢确定，所以保险起见，我们趁SCL是低电平，先确保释放SDA，再释放SCL，这时SDA和SCL都是高电平，然后再拉低SDA、拉低SCL，这样这个Start就可以兼容起始条件和重复起始条件了。
  【如果先释放SCL，在SCL高电平期间再释放SDA会被误以为是终止条件；这里Sr是需要重新生成一个开始条件即SCL高电平期间，SDA从高变低。如果不先拉低SDA，就容易造成。SCL高电平期间，SDA从低变高。变成结束信号了。】

• void MyI2C_Stop(void)
  
  
  在这里，如果Stop开始时，那就先释放SCL，再释放SDA就行了，但是在这个时序单元开始时，SDA并不一定是低电平，所以为了确保之后释放SDA能产生上升沿，我们要在时序单元开始时，先拉低SDA，然后再释放SCL、释放SDA。

• void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
  
  发送一个字节时序开始时，SCL是低电平,实际上，除了终止条件，SCL以高电平结束,所有的单元我们都会保证SCL以低电平结束，这样方便各个单元的拼接。
  补充：
  Byte & 0x80 就是用按位与的方式，取出数据的某一位或某几位，感觉这里准确的讲是检查位是否为1，而不是取出最高位

• …

MPU6050_Reg.h

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75#endif

MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_Hvoid MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);void MPU6050_Init(void);
uint8_t MPU6050_GetID(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);#endif

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Reg.h"#define MPU6050_ADDRESS		0xD0		//MPU6050的I2C从机地址/*** 函    数：MPU6050写寄存器* 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述* 参    数：Data 要写入寄存器的数据，范围：0x00~0xFF* 返 回 值：无*/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{MyI2C_Start();						//I2C起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//发送从机地址，读写位为0，表示即将写入MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_SendByte(RegAddress);			//发送寄存器地址MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_SendByte(Data);				//发送要写入寄存器的数据MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_Stop();						//I2C终止
}/*** 函    数：MPU6050读寄存器* 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述* 返 回 值：读取寄存器的数据，范围：0x00~0xFF*/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;MyI2C_Start();						//I2C起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);	//发送从机地址，读写位为0，表示即将写入MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_SendByte(RegAddress);			//发送寄存器地址MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答MyI2C_Start();						//I2C重复起始MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);	//发送从机地址，读写位为1，表示即将读取MyI2C_ReceiveAck();					//接收应答Data = MyI2C_ReceiveByte();			//接收指定寄存器的数据MyI2C_SendAck(1);					//发送应答，给从机非应答，终止从机的数据输出MyI2C_Stop();						//I2C终止return Data;
}/*** 函    数：MPU6050初始化* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MPU6050_Init(void)
{MyI2C_Init();									//先初始化底层的I2C/*MPU6050寄存器初始化，需要对照MPU6050手册的寄存器描述配置，此处仅配置了部分重要的寄存器*/MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);		//电源管理寄存器1，取消睡眠模式，选择时钟源为X轴陀螺仪MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);		//电源管理寄存器2，保持默认值0，所有轴均不待机MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);		//采样率分频寄存器，配置采样率MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);			//配置寄存器，配置DLPFMPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);	//陀螺仪配置寄存器，选择满量程为±2000°/sMPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);	//加速度计配置寄存器，选择满量程为±16g
}/*** 函    数：MPU6050获取ID号* 参    数：无* 返 回 值：MPU6050的ID号*/
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);		//返回WHO_AM_I寄存器的值
}/*** 函    数：MPU6050获取数据* 参    数：AccX AccY AccZ 加速度计X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767* 参    数：GyroX GyroY GyroZ 陀螺仪X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767* 返 回 值：无*/
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{uint8_t DataH, DataL;								//定义数据高8位和低8位的变量DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);		//读取加速度计X轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);		//读取加速度计X轴的低8位数据*AccX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);		//读取加速度计Y轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);		//读取加速度计Y轴的低8位数据*AccY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);		//读取加速度计Z轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);		//读取加速度计Z轴的低8位数据*AccZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);		//读取陀螺仪X轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);		//读取陀螺仪X轴的低8位数据*GyroX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);		//读取陀螺仪Y轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);		//读取陀螺仪Y轴的低8位数据*GyroY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);		//读取陀螺仪Z轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);		//读取陀螺仪Z轴的低8位数据*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"uint8_t ID;								//定义用于存放ID号的变量
int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;			//定义用于存放各个数据的变量int main(void)
{/*模块初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化MPU6050_Init();		//MPU6050初始化/*显示ID号*/OLED_ShowString(1, 1, "ID:");		//显示静态字符串ID = MPU6050_GetID();				//获取MPU6050的ID号OLED_ShowHexNum(1, 4, ID, 2);		//OLED显示ID号while (1){MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);		//获取MPU6050的数据OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);					//OLED显示数据OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);}
}

那之前的课程我们用的是软件I2C，手动拉低或释放时钟线，然后再手动对每个数据位进行判断，拉低或释放数据线，这样来产生这个的波形，这是软件I2C。由于12C是同步时序，这每一位的持续时间要求不严格，或许中途暂停一下时序，影响都不大，所以2C是比较容易用软件模拟的。
在实际项目中，软件模拟的I2C也是非常常见的，但是作为一个协议标准，I2C通信，也是可以有硬件收发电路的。就像之前的串口通信一样，我们先讲了串口的时序波形，但是在程序中，我们并没有用软件去手动翻转电平来实现这个波形，这是因为串口是异步时序，每一位的时间要求很严格，不能过长也不能过短，所以串口时序虽然可以用软件模拟，但是操作起来比较困难。另外，由于串口的硬件收发器在单片机中的普及程度非常高，基本上每个单片机都有串口的硬件资源，而且硬件实现的串口使用起来还非常简单，所以，串口通信，我们基本都是借助硬件收发器来实现的。

I2C通信外设

硬件实现串口（USART）的使用流程：首先配置USART外设，然后写入数据寄存器DR，然后硬件收发器就会自动生成波形发送出去，最后我们等待发送完成的标志位即可。
回到I2C这里，I2C也可以有软件模拟和硬件收发器自动操作这两种异步时序，对于串口这样的异步时序，软件实现麻烦，硬件实现简单，所以串口的实现基本是全部倒向硬件。而对于I2C这样的同步时序来说，软件实现简单灵活，硬件实现麻烦，但可以节省软件资源、可以实现完整的多主机通信模型等，各有优缺点。

I2C框图

I2C基本结构

代码实战：10-2硬件I2C读写MPU6050

MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_Hvoid MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);void MPU6050_Init(void);
uint8_t MPU6050_GetID(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);#endif

MPU6050_REG.h

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75#endif

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MPU6050_Reg.h"#define MPU6050_ADDRESS		0xD0		//MPU6050的I2C从机地址/*** 函    数：MPU6050等待事件* 参    数：同I2C_CheckEvent* 返 回 值：无*/
void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{uint32_t Timeout;Timeout = 10000;									//给定超时计数时间while (I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS)	//循环等待指定事件{Timeout --;										//等待时，计数值自减if (Timeout == 0)								//自减到0后，等待超时{/*超时的错误处理代码，可以添加到此处*/break;										//跳出等待，不等了}}
}/*** 函    数：MPU6050写寄存器* 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述* 参    数：Data 要写入寄存器的数据，范围：0x00~0xFF* 返 回 值：无*/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成起始条件MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);	//硬件I2C发送从机地址，方向为发送MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);	//等待EV6I2C_SendData(I2C2, RegAddress);											//硬件I2C发送寄存器地址MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING);			//等待EV8I2C_SendData(I2C2, Data);												//硬件I2C发送数据MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);				//等待EV8_2I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);											//硬件I2C生成终止条件
}/*** 函    数：MPU6050读寄存器* 参    数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述* 返 回 值：读取寄存器的数据，范围：0x00~0xFF*/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成起始条件MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);	//硬件I2C发送从机地址，方向为发送MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED);	//等待EV6I2C_SendData(I2C2, RegAddress);											//硬件I2C发送寄存器地址MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);				//等待EV8_2I2C_GenerateSTART(I2C2, ENABLE);										//硬件I2C生成重复起始条件MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT);					//等待EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2, MPU6050_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);		//硬件I2C发送从机地址，方向为接收MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED);		//等待EV6I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, DISABLE);									//在接收最后一个字节之前提前将应答失能I2C_GenerateSTOP(I2C2, ENABLE);											//在接收最后一个字节之前提前申请停止条件MPU6050_WaitEvent(I2C2, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED);				//等待EV7Data = I2C_ReceiveData(I2C2);											//接收数据寄存器I2C_AcknowledgeConfig(I2C2, ENABLE);									//将应答恢复为使能，为了不影响后续可能产生的读取多字节操作return Data;
}/*** 函    数：MPU6050初始化* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void MPU6050_Init(void)
{/*开启时钟*/RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2, ENABLE);		//开启I2C2的时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);		//开启GPIOB的时钟/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);					//将PB10和PB11引脚初始化为复用开漏输出/*I2C初始化*/I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;						//定义结构体变量I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;				//模式，选择为I2C模式I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000;				//时钟速度，选择为50KHzI2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;		//时钟占空比，选择Tlow/Thigh = 2I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;				//应答，选择使能I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;	//应答地址，选择7位，从机模式下才有效I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;				//自身地址，从机模式下才有效I2C_Init(I2C2, &I2C_InitStructure);						//将结构体变量交给I2C_Init，配置I2C2/*I2C使能*/I2C_Cmd(I2C2, ENABLE);									//使能I2C2，开始运行/*MPU6050寄存器初始化，需要对照MPU6050手册的寄存器描述配置，此处仅配置了部分重要的寄存器*/MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);				//电源管理寄存器1，取消睡眠模式，选择时钟源为X轴陀螺仪MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);				//电源管理寄存器2，保持默认值0，所有轴均不待机MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);				//采样率分频寄存器，配置采样率MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);					//配置寄存器，配置DLPFMPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);			//陀螺仪配置寄存器，选择满量程为±2000°/sMPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);			//加速度计配置寄存器，选择满量程为±16g
}/*** 函    数：MPU6050获取ID号* 参    数：无* 返 回 值：MPU6050的ID号*/
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);		//返回WHO_AM_I寄存器的值
}/*** 函    数：MPU6050获取数据* 参    数：AccX AccY AccZ 加速度计X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767* 参    数：GyroX GyroY GyroZ 陀螺仪X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767* 返 回 值：无*/
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{uint8_t DataH, DataL;								//定义数据高8位和低8位的变量DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);		//读取加速度计X轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);		//读取加速度计X轴的低8位数据*AccX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);		//读取加速度计Y轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);		//读取加速度计Y轴的低8位数据*AccY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);		//读取加速度计Z轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);		//读取加速度计Z轴的低8位数据*AccZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);		//读取陀螺仪X轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);		//读取陀螺仪X轴的低8位数据*GyroX = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);		//读取陀螺仪Y轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);		//读取陀螺仪Y轴的低8位数据*GyroY = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);		//读取陀螺仪Z轴的高8位数据DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);		//读取陀螺仪Z轴的低8位数据*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;						//数据拼接，通过输出参数返回
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"uint8_t ID;								//定义用于存放ID号的变量
int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;			//定义用于存放各个数据的变量int main(void)
{/*模块初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化MPU6050_Init();		//MPU6050初始化/*显示ID号*/OLED_ShowString(1, 1, "ID:");		//显示静态字符串ID = MPU6050_GetID();				//获取MPU6050的ID号OLED_ShowHexNum(1, 4, ID, 2);		//OLED显示ID号while (1){MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);		//获取MPU6050的数据OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);					//OLED显示数据OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);}
}

SPI通信协议

  SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口， 是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的场合。
  学习本章时，可与I2C章节对比阅读，体会两种通讯总线的差异以及EEPROM存储器与FLASH存储器的区别。下面我们分别对SPI协议的物理层及协议层进行讲解。

SPI物理层

SPI通讯设备之间的常用连接方式见图

  SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为SS，它们的作用介绍如下：

(1) SS ( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为NSS、CS，以下用NSS表示。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时， 设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3条总线； 而每个从设备都有独立的这一条NSS信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。 I2C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而SPI协议中没有设备地址，它使用NSS信号线来寻址， 当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效， 接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。

(2) SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样， 如STM32的SPI时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

(3) MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出， 从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

(4) MISO (Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据， 从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

SPI协议层

与I2C的类似，SPI协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。

SPI基本通讯过程

先看看SPI通讯的通讯时序，

  这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。 MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

1.通讯的起始和停止信号

  在图 SPI通讯时序 中的标号处，NSS信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号。NSS是每个从机各自独占的信号线， 当从机在自己的NSS线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号处，NSS信号由低变高， 是SPI通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

2.数据有效性

MSB高位先行，LSB低位先行

  SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据， 且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定， 一般都会采用图 SPI通讯时序 中的MSB先行模式。
  观察图中的标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出，在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻， MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。
  SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。

3.CPOL/CPHA及通讯模式

  上面讲述的图 SPI通讯时序 中的时序只是SPI中的其中一种通讯模式，SPI一共有四种通讯模式， 它们的主要区别是总线空闲时SCK的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性CPOL”和“时钟相位CPHA”的概念。

  时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号(即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态)。CPOL=0时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1时，则相反。
  时钟相位CPHA是指数据的采样的时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样。当CPHA=1时， 数据线在SCK的“偶数边沿”采样。见图 CPHA = 0时的SPI通讯模式 及图 CPHA = 1时的SPI通讯模式 。

  我们来分析这个CPHA=0的时序图。首先，根据SCK在空闲状态时的电平，分为两种情况。 SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。
  无论CPOL=0还是=1，因为我们配置的时钟相位CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在SCK的奇数边沿。 注意当CPOL=0的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。 MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的奇数边沿保持不变，数据信号将在SCK奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和MISO的有效信号才发生切换。
  类似地，当CPHA=1时，不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样，见图 CPHA=1时的SPI通讯模式_ 。

  由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，见表 SPI的四种模式 ， 主机与从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。

STM32的SPI特性及架构

与I2C外设一样，STM32芯片也集成了专门用于SPI协议通讯的外设。

1.STM32的SPI外设简介

  STM32的SPI外设可用作通讯的主机及从机， 支持最高的SCK时钟频率为fpclk/2 (STM32F103型号的芯片默认fpclk1为36MHz， fpclk2为72MHz)，完全支持SPI协议的4种模式，数据帧长度可设置为8位或16位， 可设置数据MSB先行或LSB先行。它还支持双线全双工(前面小节说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。 其中双线单向模式可以同时使用MOSI及MISO数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线， 当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。

2. STM32的SPI架构剖析

1.通讯引脚

  SPI的所有硬件架构都从图 SPI架构图 中左侧MOSI、MISO、SCK及NSS线展开的。STM32芯片有多个SPI外设， 它们的SPI通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表 STM32F10x的SPI引脚 。 关于GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32F10x规格书》，以它为准。

  其中SPI1是APB2上的设备，最高通信速率达36Mbtis/s，SPI2、SPI3是APB1上的设备，最高通信速率为18Mbits/s。除了通讯速率， 在其它功能上没有差异。其中SPI3用到了下载接口的引脚，这几个引脚默认功能是下载，第二功能才是IO口，如果想使用SPI3接口， 则程序上必须先禁用掉这几个IO口的下载功能。一般在资源不是十分紧张的情况下，这几个IO口是专门用于下载和调试程序，不会复用为SPI3。

2. 时钟控制逻辑

  SCK线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，该位是对fpclk时钟的分频因子， 对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率，计算方法见表 BR位对fpclk的分频 。

其中的fpclk频率是指SPI所在的APB总线频率， APB1为fpclk1，APB2为fpckl2。
通过配置“控制寄存器CR”的“CPOL位”及“CPHA”位可以把SPI设置成前面分析的4种SPI模式。

3. 数据控制逻辑

  SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标接收、发送缓冲区以及MISO、MOSI线。 当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候， 数据移位寄存器把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的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中， 通讯读“数据寄存器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。

4. 整体控制逻辑

  整体控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变， 基本的控制参数包括前面提到的SPI模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时， 控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位， 就可以了解SPI的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。
  实际应用中，我们一般不使用STM32 SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

3.通讯过程

  STM32使用SPI外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器SR”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
  图 主发送器通讯过程 中的是“主模式”流程，即STM32作为SPI通讯的主机端时的数据收发过程。

主模式收发流程及事件说明如下：

(1) 控制NSS信号线， 产生起始信号(图中没有画出)；

(2) 把要发送的数据写入到“数据寄存器DR”中， 该数据会被存储到发送缓冲区；

(3) 通讯开始，SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去； MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；

(4) 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器SR”中的“TXE标志位”会被置1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地， 当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；

(5) 等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE标志位”为1时， 通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

  假如我们使能了TXE或RXNE中断，TXE或RXNE置1时会产生SPI中断信号，进入同一个中断服务函数，到SPI中断服务程序后， 可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用DMA方式来收发“数据寄存器DR”中的数据。

4.实战——读写串行FLASH

1.硬件连接

注意：
如果SPI通讯中的三个从机都是推挽输出（Push-Pull Output），那么在没有适当管理的情况下，当多个从设备同时驱动MISO线时，就会发生线路冲突，这可能导致数据错误和通信故障。为了解决这个问题，【从机】一般采用下面的处理方式：

片选（Chip Select）：每个从设备都有一个独立的片选线，用于启用或禁用该设备的输出。当主设备想要与某个从设备通信时，它会通过激活相应的片选线来选择该从设备。未被选中的从设备会将其MISO输出设置为高阻态（High-Impedance），从而不会对MISO线产生影响。

2.软件设计

编程要点：

1. 初始化通讯使用的目标引脚及端口时钟；
2. 使能SPI外设的时钟；
3. 配置SPI外设的模式、地址、速率等参数并使能SPI外设；
4. 编写基本SPI按字节收发的函数；
5. 编写对FLASH擦除及读写操作的的函数；
6. 编写测试程序，对读写数据进行校验。

扩展1：SPI物理层第二种连接方式：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。

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；
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：


采用一个/SS (或者/CS) 信号控制所有从器件的/CS 输入； 所有从器件接收同一个时钟信号。只有链上的第一个从器件(SLAVE 1) 从微控制器直接接收命令。 其他所有从器件都从链上前一个器件的 DOUT 输出获得其 DIN 数据。要保证菊链正常工作， 每一个从器件就必须能在给定的命令周期内(定义为每一个命令所需的时钟数) 从 DIN 引脚读入命令， 而在下一个命令周期从 DOUT 引脚输出同样的命令。 显然，从 DIN 到 DOUT 会有一个命令周期的延迟。 另外， 各个从器件只能在/CS 的上升沿执行写入的命令。 这意味着只要/CS 保持低电平， 从器件将不会执行命令， 并且会在下一个命令周期将命令通过 DOUT 引脚输出。 如果在给定命令周期之后/CS 变高， 所有从器件将立即执行写入 DIN 引脚的命令。 如果/CS 变高， 数据将不会从 DOUT 输出， 这就使得链上每个从器件可以执行不同的命令。只要菊链的这些要求能够满足， 微控制器只需三个信号(/SS、SCK 和 MOSI)就能控制网络上的所有从器件。

所以最终的数据流向图可以表示为：

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。

详细原理请看：SPI菊花链原理和配置

扩展2：关于stm32硬件spi的MISO口配置

在我们刚使用spi时，对于spi的io口配置可能会有一些疑惑吧，miso明明是一个输入口却配置成了复用推挽输出，是不是会有一点疑惑呢？

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;     // 复用的推挽输出

MISO不是应该设置成为输入端口（GPIO_Mode_IN_FLOATING）才行的吗？其实可以设置成为输入模式，也可以设置成为复用的推挽输出。其工作都是正常的，不过建议大家还是设置成为输入端口的好，容易理解。

具体产生这一问题的原因是：从功能上来说，MISO应该配置为输入模式才对，但为什么也可以配置为GPIO_Mode_AF_PP？请看下面的GPIO复用功能配置框图。当一个GPIO端口配置为GPIO_Mode_AF_PP是，这个端口的内部结构框图如下：图中可以看到，片上外设的复用功能输出信号会连接到输出控制电路，然后在端口上产生输出信号。但是在芯片内部，MISO是SPI模块的输入引脚，而不是输出引脚，也就是说图中的"复用功能输出信号"根本不存在，因此"输出控制电路"不能对外产生输出信号。而另一方面看，即使在GPIO_Mode_AF_PP模式下，复用功能输入信号却与外部引脚之间相互连接，既MISO得到了外部信号的电平，实现了输入的功能。

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参考文章：

什么是串行与并行？串行和并行各自有什么优越点和应用场景？
什么是同步通信？什么是异步通信？两者的优缺点是什么？
SPI协议详解（图文并茂+超详细）
关于stm32硬件spi的miso口配置