原來SPI并沒有我想的那么簡單

前面的話

前天一位讀者私信說我分享的文章誤導(dǎo)了他，然后就取消關(guān)注了，以至于我想回復(fù)他是哪里寫的不對或是哪些寫的不好時，也無法回復(fù)了，雖然有些許收到打擊，但還是會堅持學(xué)習(xí)，總結(jié)和分享的，道阻且長，也難免會有錯誤和紕漏；

目錄

• 前面的話

• 目錄

• 先說串口

• SPI通訊協(xié)議

• SPI特性

• 模式編號

• 多從機(jī)模式

• 優(yōu)缺點

• 編程實現(xiàn)

先說串口

之前寫過一篇UART，通用串行異步通訊協(xié)議，感興趣可以參考一下《我打賭！你還不會UART》；因為UART沒有時鐘信號，無法控制何時發(fā)送數(shù)據(jù)，也無法保證雙發(fā)按照完全相同的速度接收數(shù)據(jù)。因此，雙方以不同的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，就會出現(xiàn)問題。

如果要解決這個問題，UART為每個字節(jié)添加額外的起始位和停止位，以幫助接收器在數(shù)據(jù)到達(dá)時進(jìn)行同步；

雙方還必須事先就傳輸速度達(dá)成共識（設(shè)置相同的波特率，例如每秒9600位）。

傳輸速率如果有微小差異不是問題，因為接收器會在每個字節(jié)的開頭重新同步。相應(yīng)的協(xié)議如下圖所示；

如果您注意到上圖中的11001010不等于0x53，這是一個細(xì)節(jié)。串口協(xié)議通常會首先發(fā)送最低有效位，因此最小位在最左邊LSB。低四位字節(jié)實際上是0011 = 0x3，高四位字節(jié)是0101 = 0x5。

異步串行工作得很好，但是在每個字節(jié)發(fā)送的時候都需要額外的起始位和停止位以及在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所需的復(fù)雜硬件方面都有很多開銷。

不難發(fā)現(xiàn)，如果接收端和發(fā)送端設(shè)置的速度都不一致，那么接收到的數(shù)據(jù)將是垃圾（亂碼）。

下面開始講一下SPI協(xié)議，會有哪些優(yōu)點。

SPI通訊協(xié)議

于是我們想有沒有更好一點的串行通訊方式；相比較于UART，SPI的工作方式略有不同。

SPI是一個同步的數(shù)據(jù)總線，也就是說它是用單獨的數(shù)據(jù)線和一個單獨的時鐘信號來保證發(fā)送端和接收端的完美同步。

時鐘是一個振蕩信號，它告訴接收端在確切的時機(jī)對數(shù)據(jù)線上的信號進(jìn)行采樣。

產(chǎn)生時鐘的一側(cè)稱為主機(jī)，另一側(cè)稱為從機(jī)。總是只有一個主機(jī)（一般來說可以是微控制器/MCU），但是可以有多個從機(jī)（后面詳細(xì)介紹）；

數(shù)據(jù)的采集時機(jī)可能是時鐘信號的上升沿（從低到高）或下降沿（從高到低）。

具體要看對SPI的配置；

整體的傳輸大概可以分為以下幾個過程：

• 主機(jī)先將NSS信號拉低，這樣保證開始接收數(shù)據(jù)；

• 當(dāng)接收端檢測到時鐘的邊沿信號時，它將立即讀取數(shù)據(jù)線上的信號，這樣就得到了一位數(shù)據(jù)（1bit）;

  由于時鐘是隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送的，因此指定數(shù)據(jù)的傳輸速度并不重要，盡管設(shè)備將具有可以運行的最高速度（稍后我們將討論選擇合適的時鐘邊沿和速度）。

• 主機(jī)發(fā)送到從機(jī)時：主機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘信號，然后數(shù)據(jù)一位一位地將從MOSI信號線上進(jìn)行發(fā)送到從機(jī)；

• 主機(jī)接收從機(jī)數(shù)據(jù)：如果從機(jī)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)，則主機(jī)將繼續(xù)生成預(yù)定數(shù)量的時鐘信號，并且從機(jī)會將數(shù)據(jù)通過MISO信號線發(fā)送；

具體如下圖所示；

注意，SPI是“全雙工”（具有單獨的發(fā)送和接收線路），因此可以在同一時間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，另外SPI的接收硬件可以是一個簡單的移位寄存器。這比異步串行通信所需的完整UART要簡單得多，并且更加便宜；

SPI特性

SPI總線包括4條邏輯線，定義如下：

• MISO：Master input slave output 主機(jī)輸入，從機(jī)輸出（數(shù)據(jù)來自從機(jī)）；

• MOSI：Master output slave input 主機(jī)輸出，從機(jī)輸入（數(shù)據(jù)來自主機(jī)）；

• SCLK ：Serial Clock 串行時鐘信號，由主機(jī)產(chǎn)生發(fā)送給從機(jī)；

• SS：Slave Select 片選信號，由主機(jī)發(fā)送，以控制與哪個從機(jī)通信，通常是低電平有效信號。

其他制造商可能會遵循其他命名規(guī)則，但是最終他們指的相同的含義。以下是一些常用術(shù)語；

• MISO也可以是SIMO，DOUT，DO，SDO或SO（在主機(jī)端）;

• MOSI也可以是SOMI，DIN，DI，SDI或SI（在主機(jī)端）;

• NSS也可以是CE，CS或SSEL;

• SCLK也可以是SCK;

本文將按照以下命名進(jìn)行講解[MISO, MOSI, SCK，NSS]

下圖顯示了單個主機(jī)和單個從機(jī)之間的典型SPI連接。

時鐘頻率

SPI總線上的主機(jī)必須在通信開始時候配置并生成相應(yīng)的時鐘信號。在每個SPI時鐘周期內(nèi)，都會發(fā)生全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

主機(jī)在MOSI線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，從機(jī)讀取它，而從機(jī)在MISO線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，主機(jī)讀取它。

就算只進(jìn)行單向的數(shù)據(jù)傳輸，也要保持這樣的順序。這就意味著無論接收任何數(shù)據(jù)，必須實際發(fā)送一些東西！在這種情況下，我們稱其為虛擬數(shù)據(jù)；

從理論上講，只要實際可行，時鐘速率就可以是您想要的任何速率，當(dāng)然這個速率受限于每個系統(tǒng)能提供多大的系統(tǒng)時鐘頻率，以及最大的SPI傳輸速率。

時鐘極性 CKP/Clock Polarity

除了配置串行時鐘速率（頻率）外，SPI主設(shè)備還需要配置時鐘極性。

根據(jù)硬件制造商的命名規(guī)則不同，時鐘極性通常寫為CKP或CPOL。時鐘極性和相位共同決定讀取數(shù)據(jù)的方式，比如信號上升沿讀取數(shù)據(jù)還是信號下降沿讀取數(shù)據(jù)；

CKP可以配置為1或0。這意味著您可以根據(jù)需要將時鐘的默認(rèn)狀態(tài)（IDLE）設(shè)置為高或低。極性反轉(zhuǎn)可以通過簡單的邏輯逆變器實現(xiàn)。您必須參考設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊才能正確設(shè)置CKP和CKE。

• CKP = 0：時鐘空閑 IDLE為低電平 0；
• CKP = 1：時鐘空閑 IDLE為高電平 1；

時鐘相位 CKE /Clock Phase (Edge)

除配置串行時鐘速率和極性外，SPI主設(shè)備還應(yīng)配置時鐘相位（或邊沿）。根據(jù)硬件制造商的不同，時鐘相位通常寫為CKE或CPHA；

顧名思義，時鐘相位/邊沿，也就是采集數(shù)據(jù)時是在時鐘信號的具體相位或者邊沿；

• CKE = 0：在時鐘信號 SCK的第一個跳變沿采樣；
• CKE = 1：在時鐘信號 SCK的第二個跳變沿采樣；

時鐘配置總結(jié)

綜上幾種情況，下圖總結(jié)了所有時鐘配置組合，并突出顯示了實際采樣數(shù)據(jù)的時刻；

其中黑色線為采樣數(shù)據(jù)的時刻；

藍(lán)色線為SCK時鐘信號；

具體如下圖所示；

模式編號

SPI的時鐘極性和相位的配置通常稱為 SPI模式，所有可能的模式都遵循以下約定；具體如下表所示；

除此之外，我們還應(yīng)該仔細(xì)檢查微控制器數(shù)據(jù)手冊中包含的模式表，以確保一切正常。

多從機(jī)模式

前面說到SPI總線必須有一個主機(jī)，可以有多個從機(jī)，那么具體連接到SPI總線的方法有以下兩種：

第一種方法：多NSS

1. 通常，每個從機(jī)都需要一條單獨的SS線。
2. 如果要和特定的從機(jī)進(jìn)行通訊，可以將相應(yīng)的 NSS信號線拉低，并保持其他 NSS信號線的狀態(tài)為高電平；如果同時將兩個 NSS信號線拉低，則可能會出現(xiàn)亂碼，因為從機(jī)可能都試圖在同一條 MISO線上傳輸數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)亂碼。

具體連接方式如下圖所示；

第二種方法：菊花鏈

在數(shù)字通信世界中，在設(shè)備信號（總線信號或中斷信號）以串行的方式從一 個設(shè)備依次傳到下一個設(shè)備，不斷循環(huán)直到數(shù)據(jù)到達(dá)目標(biāo)設(shè)備的方式被稱為菊花鏈。

1. 菊花鏈的最大缺點是因為是信號串行傳輸，所以一旦數(shù)據(jù)鏈路中的某設(shè)備發(fā)生故障的時候，它下面優(yōu)先級較低的設(shè)備就不可能得到服務(wù)了；
2. 另一方面，距離主機(jī)越遠(yuǎn)的從機(jī)，獲得服務(wù)的優(yōu)先級越低，所以需要安排好從機(jī)的優(yōu)先級，并且設(shè)置總線檢測器，如果某個從機(jī)超時，則對該從機(jī)進(jìn)行短路，防止單個從機(jī)損壞造成整個鏈路崩潰的情況；

具體的連接如下圖所示；

其中紅線加粗為數(shù)據(jù)的流向；

所以最終的數(shù)據(jù)流向圖可以表示為：

SCK為時鐘信號，8clks表示8個邊沿信號；

其中D為數(shù)據(jù)，X為無效數(shù)據(jù)；

所以不難發(fā)現(xiàn)，菊花鏈模式充分使用了SPI其移位寄存器的功能，整個鏈充當(dāng)通信移位寄存器，每個從機(jī)在下一個時鐘周期將輸入數(shù)據(jù)復(fù)制到輸出。

優(yōu)缺點

SPI通訊的優(yōu)勢

使SPI作為串行通信接口脫穎而出的原因很多；

• 全雙工串行通信；
• 高速數(shù)據(jù)傳輸速率。
• 簡單的軟件配置；
• 極其靈活的數(shù)據(jù)傳輸，不限于8位，它可以是任意大小的字；
• 非常簡單的硬件結(jié)構(gòu)。從站不需要唯一地址（與I2C不同）。從機(jī)使用主機(jī)時鐘，不需要精密時鐘振蕩器/晶振（與UART不同）。不需要收發(fā)器（與CAN不同）。

SPI的缺點

• 沒有硬件從機(jī)應(yīng)答信號（主機(jī)可能在不知情的情況下無處發(fā)送）；
• 通常僅支持一個主設(shè)備；
• 需要更多的引腳（與I2C不同）；
• 沒有定義硬件級別的錯誤檢查協(xié)議；
• 與RS-232和CAN總線相比，只能支持非常短的距離；

編程實現(xiàn)

下面是通過STM32的cubemx自動生成的HAL庫代碼，比較簡單，截取了其中一部分，具體如下；

static?void?MX_SPI1_Init(void)
{
????hspi1.Instance?=?SPI1;
????hspi1.Init.Mode?=?SPI_MODE_MASTER;????//主機(jī)模式
????hspi1.Init.Direction?=?SPI_DIRECTION_2LINES;?//全雙工
????hspi1.Init.DataSize?=?SPI_DATASIZE_8BIT;??//數(shù)據(jù)位為8位
????hspi1.Init.CLKPolarity?=?SPI_POLARITY_LOW;??//CPOL=0
????hspi1.Init.CLKPhase?=?SPI_PHASE_1EDGE;???//CPHA為數(shù)據(jù)線的第一個變化沿
????hspi1.Init.NSS?=?SPI_NSS_SOFT;?????//軟件控制NSS
????hspi1.Init.BaudRatePrescaler?=?SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;//2分頻，32M/2=16MHz
????hspi1.Init.FirstBit?=?SPI_FIRSTBIT_MSB;???//最高位先發(fā)送
????hspi1.Init.TIMode?=?SPI_TIMODE_DISABLE;???//TIMODE模式關(guān)閉
????hspi1.Init.CRCCalculation?=?SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//CRC關(guān)閉
????hspi1.Init.CRCPolynomial?=?10;?????//默認(rèn)值，無效
????if?(HAL_SPI_Init(&hspi1)?!=?HAL_OK)????//初始化
????{
????????_Error_Handler(__FILE__,?__LINE__);
????}
}
????
//發(fā)送數(shù)據(jù)
HAL_StatusTypeDef??
HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef?*hspi,?
?????????????????uint8_t?*pData,?
?????????????????uint16_t?Size,?
?????????????????uint32_t?Timeout);
//接收數(shù)據(jù)
HAL_StatusTypeDef??
HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef?*hspi,?
????????????????uint8_t?*pData,?
????????????????uint16_t?Size,?
????????????????uint32_t?Timeout);