【STM32】SPI通信和RTC实时时钟

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SPI通信

一、简介

有四根通信线SCK（Serial Clock 串行时钟线）、MOSI（Master Output Slave Input 主机输出从机输入）、MISO（Master Input Slave Output 主机输入从机输出）、SS（Slave Select 从机选择）

同步时序（SCK），全双工（MOSI、MISO）

支持总线挂载多设备，是一主多从，有一条专门用来进行从机选择的线（SS），一机一根

二、硬件电路

看清楚箭头，箭头是传输方向

每有一个从机，SPI主机都要引出一根SS线连接

这里的端口电压为比较电压，是相对于GND的电压，所以所有设备需要共地，如果从机没有电源的话，还需要从主机VCC连接线来供电

主机通过置SS为低电平选择从机进行通信，在初始状态时，主机的所有SS引脚都为高电平，且在同一时间只能与一个从机进行通信

输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空输入或上拉输入

三、基本原理

SPI通信的基本原理就是进行移位交换

首先波特率发生器存在于主机，由主机控制，通过SLK线使从机同步时序，移位寄存器都是向左移位，移出后在MOSI和MISO产生相应的电平变化，如下图所示

向左移位移出，同时通信线发生移出数字相应的电平变化，然后再写入

如此往复八次就能实现一个字节的迁移，这是同时发送接收的情况

在只进行发送和只进行接收的时候，也是一样的移位和迁移，但只进行发送时，此时从机移位寄存器中的值为无效值，通常为0x00或0xFF，只进行接收的时候，主机移位寄存器中的值为无效值

四、SPI时序

起始条件：SS从高电平切换到低电平
终止条件：SS从低电平切换到高电平

1、时序基本单元

CPOL时钟极性
CPHA时钟相位

CPOL	CPHA	模式	说明
0	0	模式0	空闲状态时，SCK为低电平；SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据
0	1	模式1	空闲状态时，SCK为低电平；SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据
1	0	模式2	空闲状态时，SCK为高电平；SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据
1	1	模式3	空闲状态时，SCK为高电平；SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

在SS由高电平切换到低电平后，在SCK第一个边沿（CPOL=0是上升沿，CPOL=1是下降沿）之前，MOSI和MISO开始变换电平，在第一个边沿移入（CPHA=0，CPHA=1为移出）数据，然后在第二个边沿（CPOL=0是下降沿，CPOL=1是上升沿）移出（CPHA=0，CPHA=1为移出）数据

但是在CPHA=0的情况下，第一个数据还没有移出肯定是没有办法移入的，所以在SS下降沿时，在SCK第一个边沿之前就要触发移出数据，移出数据是对应着MOSI和MISO上升或下降沿的

2、时序

SPI的时序与I2C的时序基本相同，有些细微的差别，不多赘述

五、FLASH操作注意事项

1、写入操作

写入操作之前要先进行使能

每个数据位只能由1改写为0，不能由0改写为1

写入数据前必须先擦除，擦除后，所有数据位变为1，因为这样可以使再写入的数据保持原样

擦除必须按最小擦除单元（一个扇区）进行，没办法只擦除一个指定字节，只能整片一起擦，除非该扇区只存储了这一个字节

连续写入多字节时，最多写入一页的数据（缓冲区存储），超过页尾位置的数据会回到页首覆盖写入

写入（或者擦除）操作结束后，芯片进入忙状态，不响应新的读写操作，忙状态就是缓冲区向FLASH写入的这个状态，读取状态寄存器，如果BUSY位为1，就是忙状态，如果为0，就不是忙状态了，就可以继续响应新的操作了

2、读取操作

直接调用读取时序，无需使能，无需额外操作，没有页的限制，读取操作结束后不会进入忙状态，但不能再忙状态时读取

六、SPI外设

1、简介

STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能、减轻CPU的负担

时钟频率只能为外部时钟除以2,4，8,16,32,64,128,256来得到

支持多主机模型或一主多从模型

可精简为半双工或单工通信，半双工就是在SPI的两条通信线中选择一条进行双向通信，类似于I2C，单工通信就是指去除SPI两根通信线的某一根，另一根功能不变

2、结构

先看左上角红色方框，这里是一个重叠电路，因为MOSI在设备时主机时输出是从机时输入，MISO同理，所以在设备做主机和从机时所走的线路不一样，因为接在移位寄存器上的线路是不变的，所以我们要改变前面的线路，在做主机时，就是从蓝色的线直接进出，做从机时输出，就在上方蓝线经过红色方框的电路时走到下方的棕色线上去，然后从MISO输出，输入就是从MOSI进入时走下方棕色线到移位寄存器

然后绿色椭圆就是发送接收的缓冲区以及移位寄存器，LSBFIRS控制位控制移位为左移还是右移，要发送的数据写入发送缓冲区后一位一位地移入移位寄存器，然后再由移位寄存器一位一位地移出，此时TXE和RXNE的变化与USART串口的相同，不过串口有两个移位寄存器，这里只有一个

下方的蓝色椭圆中就是波特率发生器，外接时钟，可以如上面所说的按照指定比例分频，与移位寄存器时序相同，这里的波特率发生器由绿色方框中的BR0、BR1、BR2共同控制

最后就是蓝色方框以及绿色方框中的寄存器，我们可以看到蓝色方框中我们熟悉的寄存器如TXE和RXNE，绿色方框中的CPOL、CPHA

七、传输方式

连续传输适用于高性能、高要求的传输，相应地，其代码也要更加复杂，如果没有严格要求，可以使用非连续传输，更简单一些

1、主模式全双工连续传输

这里的BSY标志就是上面提到的BUSY

发送：
开始时TXE为1，表示发送缓冲器TDR为空，可以写入并传输，然后看下方的指示，发送缓冲器TDR被写入0xF1，同时TXE置0，然后发送缓冲器TDR中的数据会转入移位寄存器，此时TXE置为1，然后移位寄存器就开始发送，波形开始生成

然后按照下方指示2，写入0xF1之后，软件等待TXE=1，也就是在发送缓冲器TDR中的数据转入到移位寄存器时，写入发送缓冲器TDR第二个数据0xF2，当第一个数据0xF1发送完毕后，第二个数据0xF2就转入到移位寄存器中发送，同时第三个数据再写入发送缓冲器TDR，以此类推

当发送最后一个数据时，最后一个数据转入移位寄存器后TXE置为1，当BSY标志位0时，表示当前不忙，也就是发送完毕

接收：
当第一个数据接收完成时，转入接收缓冲器RDR，转入的同时RXNE置1，检测到RXNE为1时就读出RDR，等CPU读出后，RXNE置0，重复上述过程，读取多个数据

RDR中的数据在写入后要尽快读走，要在下一个数据写入之前，因为RDR再被写入前一个数据就会被覆盖

2、非连续传输

该图只有输出，没有输入，因为非连续传输的原理比较简单，一发一收

发送：
这里跟上面其实是一样的，只不过在这里主要看BSY位，因为非连续传输不需要连续，所以一个数据写入TDR后，移位到移位寄存器发送，此时TDR为空，但此时不需要再写入新的数据到TDR中，在BSY位置为0时再写入，然后重复上述过程

接收：
输入就更简单了，当数据写入移位寄存器后，由移位寄存器转移到RDR中，此时不用紧跟着数据写入移位寄存器，而是在移位寄存器RDR中的数据读出后，再继续写入下一个数据到移位寄存器，重复上述过程

RTC实时时钟

一、Unix时间戳

Unix时间戳定义为伦敦时间从1970年1月1日0时0分0秒开始所经过的秒数

时间戳存储在一个秒计数器中，秒计数器为32位或64位的变量
也就是说，如果该变量为无符号型，也就是它所能承受的最大值为2^32-1或2 ^64-1，后面这个数字是非常大的，宇宙级别的时间，所以现在随着科技的进步，很多设备都给上64位的版本了

世界上所有时区的秒计数器相同，不同时区通过添加偏移量来得到当地时间，这个偏移量其实就是时差
0秒标志着伦敦时间1970年1月1日0时0分0秒，北京时间1970年1月1日8时0分0秒

二、BKP

1、简介

BKP就是备份寄存器，可用于存储用户应用程序数据，当VDD电源（系统主电源2.0~3.6V）被切断，它们仍然由VBAT（备用电池电源1.8 ~ 3.6V）维持供电，当系统在待机模式下被唤醒，或系统复位或电源复位时，它们也不会被复位

TAMPER引脚产生的侵入事件将所有备份寄存器内容清除（这是一个保护功能，防拆作用）

RTC引脚输出RTC校准时钟、RTC闹钟脉冲或秒脉冲

存储RTC时钟校准寄存器

用户数据存储容量为20字节（小容量和中容量设备）或84字节（大容量和互联型设备）

2、基本结构

BKP先通过VDD进行供电，在有主电源VDD的情况下优先使用主电源供电

数据寄存器是16位的，每个寄存器可以存储两字节，小容量和中容量的设备一般有10个数据寄存器，从DR1到DR10，大容量和互联型的设备一般有42个数据寄存器，从DR1到DR42

因为BKP与RTC联系紧密，所以BKP中有控制RTC的部分

三、RTC

1、简介

RTC就是实时时钟，是一个独立地定时器，可为系统提供时钟和日历的功能

RTC和时钟配置系统处于后备区域，系统复位时数据不清零，VDD断电后可借助VBAT供电继续走时（同BKP）

32位的可编程计数器，可对应Unix时间戳的秒计数器

20位的可编程预分频器，可适配不同频率的输入时钟

可选择三种RTC时钟源：
HSE（外部高速晶振）时钟除以128
LSE（外部低速晶振）振荡器时钟（主要使用，只有这个连接着备用电源）
LSI（内部低速晶振）振荡器时钟

2、基本结构

RTC时钟外接一个RTCCLK，一般是外部低速晶振，红色方框里的就是一个预分频器，与前面介绍过的预分频器其实是一种类型，并且实现方式相同，只是这里用了不同的名字

然后就是绿色方框里的就是一个32位的可编程计数器，是无符号32位，最多使用到2106年，到时候就会发生溢出，就可以产生一个溢出中断，也就是RTC_Overflow中断，绿框中还一个闹钟设备RTC_ALR，给它定一个时间，当CNT==ALR时，就会触发RTC_Alarm中断，也可以通过下面的线退出待机模式，最后还有一个中断就是RTC_Second中断，是每秒进一个中断

右边的三个中断，F结尾的是对应的中断标志位，IE结尾的是中断使能，凉凉通过一个与门，之后三个中断连接到一个或门连接NVIC中断控制器

上图就是RTC外部电路，一个是备用电池供电，一个是外部低速晶振

备用电池在标准下应该用推荐连接，这里在电路上有两个二极管，这两个二极管的作用就是防止电流倒灌，在有外接电源时，使用3.3V的外部电源，在无外部电源时，使用备用电池B2供电，外部还需要接一个0.1uF的滤波电容

3、注意事项

设置RCC_APB1ENR的PWREN和BKPEN，使能PWR和BKP时钟
设置PWR_CR的DBP，使能对BKP和RTC的访问

若在读取RTC寄存器时，若RTC的APB1接口处于禁止状态，则软件首先必须等待RTC_CRL寄存器中的RSF位（寄存器同步标志）被硬件置1

必须设置RTC_CRL寄存器中的CNF位，使RTC进入配置模式后，才能写入RTC_PRL、RTC_CNT、RTC_ALR寄存器

对RTC任何寄存器的写操作，都必须在前一次写操作结束后进行，可以通过查询RTC_CR寄存器中的RTOFF状态位，判断RTC寄存器是否处于更新中，仅当RTOFF状态位为1时，才可以写入RTC寄存器
（这跟上面的忙状态差不多）

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今日分享就到这里了~