[嵌入式]SPI通信原理

一、SPI概述

SPI是串行外设接口 (Serial Peripheral Interface) 的缩写。是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。SPI 接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD 转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

SPI没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据，所以跟IIC总线协议比较在数据可靠性上有一定的缺陷。

二、SPI接线

SPI 接口一般使用 4 条线通信：

1. MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。
2. MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。
3. SCLK 时钟信号，由主设备产生。
4. CS 从设备片选信号，由主设备控制。

SPI允许至少有一个主机，一般都是一个主机多个从机，当只有一个从机时：

这站图来自于STM32参考手册，这个应该是STM双机通讯的接线，而且主机从机都工作在硬件模式（对于双击通讯不太懂），一会儿再聊移位寄存器的原理，现在先看个大概接法。

当有多个从机时，每个从机单独接一个片选信号：

这个图片很好的描述了主设备与多个从设备的接线

三、SPI 总线四种工作方式

STM32中的SPI_CR寄存器的CPOL和CPHA位，能够组合成四种可能的时序关系。

• CPOL=0：SCLK=0时处于空闲态；CPOL=1：SCLK=1时处于空闲态；
• CPHA=0：数据采样在第1个边沿；CPHA=1：数据采样在第2个边沿。

CPOL与CPHA各有两种状态，所以可以组成四种不同的工作方式。

为了能让主机与从机正常通讯，主机与从机应当设置为相同的模式，一般从机是出场就固定好的（一般在手册的SPECIFICATIONS->
TIMING CHARACTERISTICS中说明 ），我们要做的就是在SPI初始化时设置成与从机相同的工作方式。至于他不同模式时的时序图，一百度就能搜到，我觉得也不是重点，重点是你能在手册找到从机是哪种工作方式。

四、SPI接口初始化举例

以STM32f103控制的一个从设备的初始化过程来说明：
PB13为CLK，PB14为MISO，PB15为MOSI。

	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE );	//使能SPI2时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE ); //使能GPIOB时钟（SPI线所在的port）
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15);
	
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//设置SPI单向或者双向的数据模式，此处SPI设置为双线双向全双工
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;//设置SPI工作模式:设置STM32为主设备
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;//设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//当SCLK=1(高电平)时处于空闲态
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;//数据捕获于第二个时钟沿
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;//NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;//指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;//CRC值计算的多项式
	SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);//根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
 
	SPI_NSSInternalSoftwareConfig(SPI2,SPI_NSSInternalSoft_Set);//Configures internally by software the NSS pin//软件模式需要配置NSS为1，表示芯片工作在主模式。
	SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); //SPI使能

五、主设备NSS的接线

想一下为何上面的初始化这两句什么含义呢？
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;//NSS信号由硬件（NSS管脚）或 软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制SPI_NSSInternalSoftwareConfig(SPI2,SPI_NSSInternalSoft_Set);

先来看看参考手册怎么说NSS的：

从设备选择。这是一个可选的引脚，用来选择主/从设备。它的功能是用来作为“片选引脚”，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。从设备的NSS引脚可以由主设备的一个标准I/O引脚来驱动。一旦被使能(SSOE位)，NSS引脚也可以作为输出引脚，并在SPI处于主模式时拉低；此时，所有的SPI设备，如果它们的NSS引脚连接到主设备的NSS引脚，则会检测到低电平，如果它们被设置为NSS硬件模式，就会自动进入从设备状态。当配置为主设备、NSS配置为输入引脚(MSTR=1，SSOE=0)时，如果NSS被拉低，则这个SPI设备进入主模式失败状态：即MSTR位被自动清除，此设备进入从模式。——STM32参考手册

反正我看完很晕，但我大致知道，NSS管脚可以配置为输入，也可以配置为输出，NSS有硬件模式和软件模式之分。而且NSS的连接与设备工作在主模式还是从模式有必然联系，我来慢慢讲。

问题1：NSS由“软件”还是“硬件”管理如何确定？

先看这张图，来自于参考手册。可知 芯片内部的NSS 即与“NSS外部引脚”有关也与“芯片的SPI_CR1寄存器的SSI位和SSM位”有关系，如果SSM置0，则内部NSS由外部NSS引脚电平确定；如果SSM置1，则外部NSS引脚无效，此时内部的NSS电平是由SSI位决定的。这些位的定义如下：

五、（1）NSS信号软件模式(最常用)：

就是NSS管脚由软件管理，就是stm芯片内部的NSS信号只与芯片的SPI_CR1寄存器有关系，与STM芯片的NSS管脚接啥毫无关系。这时候STM芯片的NSS脚可以当做普通的GPIO口用。
（1）软件模式下把stm32设置为主模式的方法：手册规定将SSM 和SSI 位均置位，体现在库函数上就是第五个标题下面那两行代码。 现在STM设置成主模式了，硬件接线如何连接呢？就如下图所示:

每个从设备都需要单独连接一个片选信号。

（2）软件模式下把stm32设置为从模式的方法：在NSS软件模式下，将SPI_CR1寄存器中的SSM位置1并清零SSI位。这些要求是我在参考手册找到的，因为没有实际应用，不清楚库函数怎么配置。

从机的软件片选是比较麻烦的。因为，从机的内部NSS电平是由从机CR1寄存器的SSI位决定的。同时，如果从机选择了软件片选，那么原本可以复用成SPI_CS的引脚也和普通引脚没有区别了。在标准库中，有一个函数是：SPI_NSSInternalSoftwareConfig(User_SPI,SPI_NSSInternalSoft_Reset)。这个函数就是用来控制CR1寄存器的SSI位的。这就很明显了，我们可以随便指定从机的一个GPIO口与主机的片选引脚连接，使能外部边沿中断，在中断中判断如果拉低就调用上述函数将从机内部NSS拉低以片选，反之则取消片选。——大佬博客

【注】：上面两种方法只是说明了在软件模式时，设置STM32为主模式还是从模式时与NSS有关寄存器的不同设置，其他的操作比如：指定数据传输从MSB位还是LSB位开始，设置SPI工作模式设置的相关SPI_CR1寄存器位还要视情况操作。还有一般STM32都做主模式使用，从模式用到了再做补充。

五、（2）NSS信号硬件模式：

就是NSS管脚由外部NSS引脚管理。而最让人困惑的是NSS引脚还可以设置为输入模式和输出模式，通过SPI_CR2的SSOE位进行设置。

（1）硬件模式下把stm32设置为主模式的方法：
NSS引脚工作在输入模式设置为主模式（不常用）：SSOE=0，在外部NSS引脚为高电平，即内部NSS引脚也为高电平时，才能进行数据传输。 当只有一个主设备一个从设备时，可将主设备的NSS直接接到高电平。SPI的从设备片选信号是有时序的，片选的由高到低，才是通讯的开始，所以从设备还需要主设备的一个GPIO连接到从设备的片选端。通过上图可知，此时可以工作在多主设备模式，这个情况百度都百度不到，应用很少（用到再说）。
NSS引脚工作在输出模式：SSOE=1， 外部NSS引脚会输出低电平，使能从设备，进行数据传输。 不需要额外的GPIO引脚就能控制从设备。

NSS引脚工作在输出模式设置为主模式：当STM32F10xxx工作为主SPI，并且NSS输出已经通过SPI_CR2寄存器的SSOE位使能，这时主机的NSS讲作为输出信号，引脚信号被拉低，所有NSS引脚与这个主SPI的NSS引脚相连并配置为硬件NSS的STM32F10xxx SPI设备，将自动变成从SPI设备。此时两个的NSS信号线可以接个上拉电阻直连。（来自大佬博客，好多没用到的不太理解）

（2）硬件模式下把stm32设置为从模式的方法（最常用）：
NSS引脚工作在输入模式设置为从模式：只需要SSM置0，此处要注意从机设置成硬件片选要复用SPI对应的4个GPIO口。并且想要stm32工作在从模式，硬件模式下NSS只能在输入模式。

总结：就是主机一般选用软件模式，NSS信号来自由内部寄存器，外部NSS管脚可做普通IO端口使用，从机一般选用硬件NSS为输入模式。

六、SPI数据交换原理

多亏这几个高质量的博客：
【SPI一般步骤】
【STM32实现SPI双机通信】
【SPI的NSS的讨论】
【SPI的NSS的讨论2】