STM32单片机学习(27) —— SPI相关概念

文章目录概述SPI通信的核心特性I2C和SPI的简单对比SPI学习的补充说明SPI硬件电路设计SPI的四条通信线SPI通信的片选线低电平选中不支持广播通信SPI通信的时序结构重点SPI通信的比特序通信空闲状态SPI时钟极性采样时机SPI时钟相位SPI四种时钟模式重点Mode0模式0Mode1模式1Mode2模式2Mode3模式3总结与补充概述我们已经学习过两种STM32通信接口了它们就是I2C总线通信以及USART串口通信。接下来我们再来学习一种全新的通信方式——SPI通信。首先我们要先建立一种正确的认知——SPI 并不是比 串口 / I2C 更高级的通信方式只是设计的思路不同解决的问题不同罢了。在《SPI相关概念》这一文中我们所讲的内容既和单片机的SPI外设没有关系也和与单片机进行SPI通信的从机设备没有关系。本文仅仅涉及与SPI通信本身、通信协议本身相关的一些设定和概念。SPI通信的核心特性SPI是什么呢SPISerial Peripheral Interface串行外设接口是Motorola摩托罗拉公司于1980年代中期提出的同步、全双工、主从模式的串行通信协议。SPI具有以下核心特性**串行通信。**数据仍然是1个bit位1个bit位的串行发送和接收的。**同步通信。**通信双方通过共享的时钟信号实现时序同步而不是依赖波特率。严格的主从模式通信。SPI 采用固定主从结构一主多从仅允许主机发起通信。SPI没有I2C通信那一套“主机切换”的复杂设计SPI通信就是一台固定主机和多台从机通信。在本课程中我们就固定STM32单片机为主机不需要考虑主机的切换**全双工通信。**主机和从机可以同时收发数据。**总线式物理接线。**多设备都将自身挂载在总线上但SPI通信在总线外还需要依赖其它信号线。**在总线外基于独立的“片选线”机制来确定通信的从机。**从机设备越多片选线就越多。**无寻址、无应答机制。**说人话就是SPI通信不管对方是谁不管收到没有只依照时钟信号驱动进行通信。同一时刻只有一台从机与主机通信且不支持广播模式。引脚资源占用多但通信速率相比较于其它通信协议提升显著。SPI通信相比较于串口、I2C等通信协议通信速率快是其最显著的特点与优势当然SPI的这种优势是用“高资源占用”为代价换取的。**SPI比I2C功能更少但灵活性显著高于I2C很多地方都不像I2C一样是完全规定死的。**主要体现在两方面时序结构可灵活配置拥有多样化的时序结构以适配不同的从机设备。数据帧格式也非常灵活需要从设备根据自身情况定义不同的从设备通信的数据帧格式会大不相同。数据传输是以时钟信号为驱动的双向移位过程每一个时钟周期内主机和从机都会同时发送 1 bit、接收 1 bit。标准SPI通信是真正意义上的必须同时发和同时收没有单纯的发送和接收过程。当然在发送数据时自身接收到的数据可能无意义但必须接收。同样的在接收数据时自身发送的数据也可能无意义但必须发送。SPI 通信本质上是在时钟信号驱动下主从双方移位寄存器进行同步移位操作从而完成串行数据的交换。SPI通信的过程是数据交换的过程总的来讲SPI通信把所有的资源都用来提高通信速度了所以摒弃了很多冗余的信息所以在学习它时始终牢记每一个因素都是为了提升它的速度这样去理解上述这11条基本囊括了SPI通信的绝大部分特性有些特性我们已经学过搞明白了但有些则还比较陌生。下面我们就逐一来介绍这些特性。SPI通信专为短距离高速通信设计是一种用于微控制器与外设芯片如Flash存储器、传感器、显示屏等之间进行数据传输的通信方式。从使用场景来说它和I2C通信非常类似但它们各有各的优缺点有些外设使用I2C通信更好有些外设则使用SPI通信更好。I2C和SPI的简单对比我们刚刚学完I2C通信现在要学习SPI通信恰好两种通信方式有很多类似的地方将它们做一个简单对比有利于我们学习SPI通信。对于I2C通信而言无论硬件电路、软件协议还是通信时序控制它们的设计都是比较复杂的。I2C通过这些复杂的、精心的设计利用最少的硬件资源实现了最多的软件功能可以说“I2C通信是一个非常具有性价比的通信方式资源占用少但功能却非常完善”。但I2C通信也并非没有缺点。I2C最大的缺点源自于其硬件电路的开漏接法使得其**“低电平 - 高电平”**的过程会比较缓慢进而拖累了整体的通信速率。大多数情况下的I2C通信也就能够支持400kHz的时钟线频率这个通信速率还是比较慢的。总之“I2C通信通过精打细算的精心设计用最少的硬件资源实现了最多的软件功能但缺点是通信速率较慢。”那么SPI通信呢?如果确实需要用一句话来概括SPI通信那么我会说“SPI通信通过简单粗暴的设计用更多的硬件资源甚至是资源浪费实现了速率更高、更简单也更直接的通信。”SPI学习的补充说明后关于SPI的学习需要补充说明的是本文中讲解的SPI通信指的是标准的、传统意义上的SPI通信不考虑各种SPI的变种、扩展或魔改版本。比如上文提到的SPI通信的一主多从模式、采用单一固定主机标准SPI就是这么设计的但如果考虑SPI的各种变种扩展版本则会有所不同。实际的应用中也大多使用标准SPI通信协议所以我们专心学习标准SPI通信即可。在本章节中我们来学习一些SPI相关的最基本概念。SPI硬件电路设计SPI和I2C通信同样都是总线通信协议而且SPI采用固定一主机、多从机的通信方式。在下文中我们统一把STM32单片机作为这个固定主机。SPI通信的总线电路设计如下图所示显然SPI的总线设计要比I2C复杂一些使用的引脚也会更多下面来详细介绍一下这几条通信线。SPI的四条通信线在标准SPI通信中一般都需要至少四条通信线**有些简化的SPI通信可能使用更少的通信线**如下表格所示通信线简称全称功能SLK/SCK/SCLSerial Clock主机输出时钟信号从机接收。用于同步数据传输MOSI/DIMaster Out Slave In数据线用于主机发送数据从机接收数据MISO/DOMaster In Slave Out数据线用于从机发送数据主机接收数据SS/CS/NSSSlave Select/Chip Select片选线用于主机确认和哪一台从机通信SPI的三条通信总线SLK线时钟信号线SPI和时钟信号线和I2C的时钟信号线作用完全一致。它的简写丝印由于硬件生产厂商不同有很多的简写。如SLK/SCK/SCL等。SPI通信中由STM32单片机生成同步时钟信号从机接收此信号。单片机通过生成并发送时钟信号从而控制数据传输的时序和速率。MOSI线数据线用于主机发送数据从机接收数据。很多外设的生产厂商出于简化考虑会直接使用丝印**“DI”**即Data Input表示此引脚为数据输入口。和串口、I2C通信一样主机发送数据仍然遵循TTL电平原则。即高电平表示发送数据1低电平表示发送数据0。MISO线数据线用于从机发送数据主机接收数据。很多外设的生产厂商出于简化考虑会直接使用丝印**“DO”**即Data Output表示此引脚为数据输出口。和串口、I2C通信一样从机发送数据仍然遵循TTL电平原则。即高电平表示发送数据1低电平表示发送数据0。我们已经学过I2C和串口通信了通信是否支持全双工或半双工本质上由通信的电路结构决定。SPI 使用两条独立的单向数据总线MOSI 和 MISO分别负责主机发送和接收以及从机接收和发送。所以SPI 支持主从设备在同一时刻、同时进行数据发送与接收属于全双工通信协议。串口通信同样采用发送线TX和接收线RX分离的结构因此也具备全双工通信能力。而 I²C 通信中通信双方共用一条双向数据线SDA同一时刻只能由一端进行数据发送因此 I²C 属于半双工通信协议。另外对于STM32单片机主机而言接入MOSI总线的对应引脚需要输出高低电平u送一此引脚需要设置为推挽输出模式。SPI通信主要采用硬件SPI实现需要使用固定的SPI外设基于固定的SPI通信引脚。如果采用硬件SPI实现那么MOSI引脚显然需要设置为复用推挽输出模式接入的MISO总线对应的引脚需要设置为浮空输入模式(如果采用硬件SPI也是使用固定引脚)如果采用硬件SPI那么单片机的SCK引脚也是固定引脚需要设置为复用推挽输出模式SPI不是典型的总线式涉及因为除了三条总线外它还有额外的信号线SPI通信的片选线SPI通信的片选线比较特殊下面单独讲解一下它。SS/CS线称之为片选线Chip SelectCS或者从机选择线Slave SelectSS所谓片选即选择芯片的意思SPI通信本质上还是芯片之间的通信选择从机就是选择某个芯片所以称之为片选。SS和CS都是常见的称呼在SPI通信中它们意思相同。每个从机都有一条独立的片选线和主机相连接由主机的引脚输出高低电平来决定是否与此从机通信。所以STM32单片机在作为主机时需要选择任一GPIO引脚来连接从机的片选引脚。通过片选线主机引脚输出高低电平决定与某台从机通信。那么到底是输出低电平表示与从机通信还是高电平呢低电平选中标准SPI通信规定CS线为低电平有效主机通过拉低某条CS线的电平表示与此从设备进行通信。但SPI并未定死此规定某些特殊的硬件也可以自行设定为高电平有效。但这不属于标准SPI的设计如果遇到这样的设备需要查阅其硬件手册了解相关信息。总之我们可以默认CS线低电平表示与此从机通信常见的硬件都是这么设定的只有极少数特殊硬件需要查阅手册、区别对待。在很多文档/原理图中SPI的片选线都会直接标记为NSS。其中的N表示低电平有效Negative/Negated这也进一步说明SPI通信中的片选普遍都是低电平选中的模式。不支持广播通信SPI 是否支持与多台从机进行同时的通信呢在 I2C 通信中协议标准中定义了一个特殊的广播地址0x00主机通过它可以向所有从机广播数据。具体来说是从机们只需要按照时序读取SDA数据线上的高低电平就可以同时接收主机发送的数据了。在广播模式下主机并不关心从机的应答从机也不需要应答。同时I2C还规定任何通信都由主机主动发起。所以I2C通信不存在多台从机同时发送数据给主机的情况。那么SPI通信时也和这类似吗答案是NoSPI不支持广播通信。SPI选择从机通信的方式和I2C完全不同SPI是通过硬件片选线实现的从机选择。对于SPI通信来说同一时刻仅会拉低某台从机的片选线从而使得该从机处于激活状态。SPI通信在同一时刻只能和某一台从机通信SPI不支持广播通信形式不支持同时和多台从机通信。总之在我们的学习中选择硬件SPI通信实现基于固定的单片机SPI外设和固定的引脚这里需要注意我们之前在初始化GPIO引脚时速度经常使用2MHz就足够了这里的速度代表的是引脚输出电平的反转速率。而SPI的通信速度是比较快的所以我们需要用更高的速度来适配SPI所以如果引脚设置为输出模式应该设置为50MHz来适配SPI的高速通信SPI通信的时序结构重点在前面的总结中我们提到过**SPI在时序结构上表现为灵活多变可配置。**我们就来看一看SPI的通信时序是如何的灵活多变可配置。SPI通信的比特序到目前为止我们学习过的通信方式全部都是串行通信。既然是串行通信那么在通信过程中bit 位的发送顺序也就是比特序就是一个必须首先关注的重要问题。在这里我们不妨再复习总结一下——比特序比特序用于在串行通信中描述一个数据单元内部bit位逐位发送的顺序。比特序有两种最常见的形式LSB First即Least Significant Bit First最低有效位优先。此时数据会从一个数据单元内部的最低有效位发送到最高有效位结束。MSB First即Most Significant Bit First最高有效位优先。此时数据会从一个数据单元内部的最高有效位发送到最低有效位结束。具体来说I2C和串口通信它们的比特序是固定的I2C通信的比特序是MSB First固定从数据的最高有效位发送到最低有效位。串口通信的比特序是LSB First固定从数据的最低有效位发送到最高有效位。那么SPI通信的比特序呢在回答这个问题之前我们先回到一句之前提到过的话SPI 的一个显著特点是时序灵活多变、可配置。既然是灵活多变可配置的时序那么比特序显然也是可配置的既然比特序有两种选择那么SPI的比特序那就交给程序员自己选择自己配置吧。所以SPI通信的比特序是由程序员自己配置的可以选择LSB First也可以选择MSB First。实际工程中SPI的比特序多数会选择MSB First。通信空闲状态SPI时钟极性在I2C和串口通信时我们知道接线完成后通信并不是立刻开始的而是先处于一种“空闲状态”。因此任何一种通信协议都必须明确规定当通信处于空闲状态时信号线应该处于什么样的电平状态。例如I2C通信规定当SCL和SDA总线都处于高电平状态时表示通信处于空闲状态。任一总线被拉低都表示通信开始或通信处于正在进行时。串口通信规定当信号线持续处于 高电平 时表示通信处于空闲状态。那么SPI呢它是如何表示通信的空闲状态呢在回答这个问题之前我们仍然需要记住 SPI 的一个显著特点SPI的时序灵活多变、可配置。所以SPI 通信的空闲状态同样不是固定不变的也是允许进行配置选择的。SPI和I2C同属于同步通信但与I2C不同的是SPI仅通过一条时钟信号线来确定通信的空闲状态。这里就需要引入SPI一个重要的概念——SPI极性或者叫SPI时钟极性。SPI 极性Clock PolarityCPOL用于规定当 SPI 总线处于空闲状态时时钟信号 SCK 的电平状态。SPI极性是可配置的具体来说有两个选择CPOL 0规定当SCK时钟信号线为低电平时表示通信处于空闲状态。通信开始时时钟信号翻转到高电平。CPOL 1规定当SCK时钟信号线为高电平时表示通信处于空闲状态。通信开始时时钟信号翻转到低电平。采样时机SPI时钟相位关于采样和采样时机这两个概念我们在前面已经涉及过了在这里我们先对这两个概念再做一次简要的复习和总结。采样接收端在某一确定时刻对信号线上的电平状态进行读取并将其判定为逻辑 0 或逻辑 1 的过程。采样时机通信协议所规定的接收端执行采样操作的具体时刻、时间点。我们先回顾一下以往学过的通信方式它们各自是如何规定采样时机的。串口通信以起始位为时间基准用波特率确定一个bit所占用的时间然后在每个bit的中点附近进行多次采样最终投票判决结果。I2C 通信中接收端在 SCL 时钟为高电平的工作时间内采集数据通常会选择在这一段工作时间的中点完成采样。那么SPI通信呢SPI 通信的数据采样时机又是如何规定的呢和“通信空闲状态”一样SPI通信的采样时机也是灵活可配置的。并且相比串口和 I2CSPI 的采样时机设计也更加“独特”。同样的SPI通信的采样时机也有一个专业的术语这就是SPI时钟相位。SPI 时钟相位Clock PhaseCPHA用于规定SPI通信的采样时机具体来说是在一个 SPI 时钟周期内数据应该在第几边沿被采样。时钟相位仍然有两种选择CPHA 0表示数据采样时机是在时钟周期的第一边沿采集。CPHA 1表示数据采样时机是在时钟周期的第二边沿采集。SPI四种时钟模式重点在上面我们讲到了时钟的两种相位选择提到了第一和第二边沿采集。那么什么是“第一边沿”、“第二边沿”呢为了讲清楚这个问题我们需要把时钟极性和时钟相位结合在一起进行排列组合。如此我们得到了四种SPI时钟模式SPI Clock Mode简称SPI ModeMode0模式0CPOL 0CPHA 0低电平空闲状态第一边沿采集。Mode1模式1CPOL 0CPHA 1低电平空闲状态第二边沿采集。Mode2模式2CPOL 1CPHA 0高电平空闲状态第一边沿采集。Mode3模式3CPOL 1CPHA 1高电平空闲状态第二边沿采集。接下来我们将以Model0为例对SPI 时钟模式 展开讲解。Mode0模式0首先我们来看下面这张SPI 时序图这张时序图没有带上任何数据线因为我们现在还不需要考虑数据收发的问题。那么你在上述图中能看出什么问题呢如果你搞懂了上面讲的内容你应该至少能够看出下面几条从机1的NSS1线低电平表示从机1与主机进行通信。从机2和从机3的NSS线全程拉高表示它们作为从机没有和主机进行通信。当然SPI在同一时刻只能有一台从机和主机进行通信。SCK时钟信号线在一开始处于低电平状态说明通信的空闲状态是低电平空闲。所以SPI通信选择的时钟极性是0低电平空闲。那么时钟相位呢哪里是第一边沿哪里是第二边沿实际上只要时钟极性确定了那么第几边沿也就确定了。如下图所示在模式0低电平空闲状态第一边沿采集其时钟信号的波形就如上图所示并且采样时机是红色箭头。现在我们已经明确了数据采样发生在什么时刻那么下一个问题自然就出现了在进行数据采样时对数据线有没有要求当然是有要求的。在理想情况下和I2C通信类似接收端在时钟边沿进行数据采样时数据线在该边沿附近处于“电平稳定区间的中点”。换句话说采样数据的边沿来临时数据最好已经稳定一段时间了而不是正在变化。接下来我们在时序图中加入数据线得到如下所示的波形。在Mode0的前提下分析这张时序图过程如下所示NSS线拉低表示主机选中从机进行通信但此时观察SCK总线还处于低电平空闲状态所以第一个bit数据还未发送。Mode0时时钟线低电平表示空闲状态所以当时钟线出现第一个上升沿时才表示发送第一个bit数据。当时钟信号线上的“时钟周期”消失呈现完全低电平的状态就表示通信已经回归空闲状态。分析SPI通信的过程只分析拥有完整时钟周期的部分其余没有时钟周期的部分都表示通信处于空闲状态未收发数据。当然在最终NSS片选线被重新拉高表示主机断开与从机联系通信彻底结束了。这张图上一共存在8个完整时钟周期也就是说通过MOSI数据线主机一共向从机发送了8个bit数据。从机会在所有的第一边沿采集数据也就是上升沿采集数据一共有8个上升沿所以从机会收到主机发送的8个bit数据。最终我们可以得出主机给从机发送了8个bit数据按照接收的顺序是1011 1000也就是说主机给从机发送了一个字节数据0xB8是这样吗当然不是。从机按照顺序接收的数据是1011 1000这是没有问题的。但这并不意味着主机发送的数据就是1011 10000xB8因为Mode0只约定了时钟极性和相位比特序还没有约定。所以如果通信双方约定的比特序是MSB First那么主机发送的数据就是0xB8即1011 1000如果通信双方约定的比特序是LSB First那么主机发送的数据就是0x1D即0001 1101扩展实际上从这张时序图中我们还能得出SPI通信的一些重要特点总结在下面NSS片选线的低电平时间段意味着主机和从机正在进行通信。在NSS拉低生效的时间段内SCK上每产生一个时钟周期就表示收发一个bit数据。在一次SPI通信的过程中允许传输任意的bit数量甚至可以传输非8整数倍的bit数量。这就是SPI通信数据帧的灵活之处片选线的状态决定一次通信的开始与结束时钟信号的时钟周期数量决定了实际收发bit数据的数量。Mode1模式1在已经搞懂 SPI Mode 0 的前提下Mode 1 的理解其实就会变得非常自然。Mode1和Mode0的差距仅限于第几边沿采样Mode0第一边沿采样Mode1则第二边沿采样。如下图所示时钟信号中的绿色箭头就是第二边沿Mode1时在这些下降沿进行数据采样。再看下面一个带数据线的时序图主机通信MOSI线发数据给从机一共发了8个bit依照顺序是0111 0011。那么如果约定MSB First比特序那么主机给从机发送的1个字节数据是0x73即0111 0011如果约定LSB First比特序那么主机给从机发送的1个字节数据是0xCE即1100 1110Mode2模式2模式2时钟信号高电平表示通信空闲并且在第一边沿进行数据采集。不带数据线时序图如下图所示图中的红色箭头就是第一边沿也就是全部下降沿mode2在此时进行数据采样。再看下面一个带数据线的时序图如此从机接收到的比特序列是0111 0011如果采用MSB First比特序那么主机发送的1个字节数据就是0111 0011即0x73如果采用LSB First比特序那么主机发送的1个字节数据就是1100 1110即0xCEMode3模式3模式3时钟信号高电平表示通信空闲并且在第二边沿进行数据采集。在下图中图中的绿色箭头就是第二边沿也就是全部上升沿mode3在此时进行数据采样。再看一个带数据线的时序图如此从机接收到的比特序列是0111 0110如果采用MSB First比特序那么主机发送的1个字节数据就是0111 0110即0x76如果采用LSB First比特序那么主机发送的1个字节数据就是0110 1110即0x6E注意/扩展在Mode 3的最后一张时序图中我们刻意做了一个与前面不同的设定在通信尚未开始时MOSI 数据线保持为高电平在通信结束之后MOSI 数据线最终停留在低电平这个设定和之前的时序图不同这合理吗是不是有问题啊进而我们就要提出一个非常重要的问题前面我们所讲述的时钟极性以及相位这两个概念都是描述时钟信号线的它们决定了通信开始传输数据还决定了采样机制。那么SPI通信协议有没有对数据线在通信时的电平做什么约束呢比如数据线高电平时表示通信未开始有没有这种设计呢答完全没有。对于SPI通信而言主机拉低片选线NSS拉低代表主从机通信关系建立通信正式开始。通信开始不意味着立刻传输数据只有SCK时钟信号线上出现了第一个有效边沿时第一个bit数据才开始传输。SPI的模式决定了接收端在何时进行数据采样。在接收端进行数据采样时数据线上的高低电平是有效的并且最好是保持一段时间后的稳定电平。而不是刚刚变化过来或马上要变化的不稳定电平。除此之外的任何时刻SPI通信都不关心数据线的电平状态。通信未开始或已结束时的数据线电平状态就更不需要关心了。总结与补充到此为止关于SPI 通信本身、以及SPI 通信协议相关的设定与概念我们已经全部讲清楚了。再回过头来看在本章节一开始我们曾对 SPI 通信做过 11 条总体性的总结。其中有一部分内容随着前面 串口 和 I2C 的学习其实大家已经具备了相应的理解基础因此没有再单独赘述。在本章节中我们重点讲解了 SPI 通信——通信时序的灵活可配置性。相信到现在为止你已经对这一点有所理解了。那么在这 11 条总结中还有哪些问题是目前还需要进一步讲解、加深理解的呢主要有以下三个问题第一SPI通信为什么显著的优势是快第二SPI通信的本质是主从双方的移位寄存器移位所导致的数据交换这是什么意思呢第三SPI通信的数据帧格式与从机有关那具体是什么情况呢这些问题会在后续的学习中逐步理解