[嵌入式]嵌入式通信协议札记（三）：SPI

一.SPI协议简介

SPI协议（Serial Peripheral Interface），即串行外围设备接口，是一种高速全双工通信总线,多应用在通信速率要求较高的场合。另外还支持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。

1.物理层

SPI通信使用三条总线SCK、MOSI、MISO，还有片选线SS。

• SS（Slave Select）：从设备选择信号线，常称为片选信号线，亦称NSS、CS。SPI协议中主机选择从设备时，将该从设备SS线置为低电平即可。SPI通信以SS线置低电平为开始信号，以SS线被拉高为结束信号。I2C协议是通过设备地址寻址选中某设备与其建立通信。
• SCK（Serial Clock）：时钟信号线，由通信主机产生，决定了通信速率。STM32的SPI时钟频率最大为f_pclk/2 。两个设备通信时通信速率受限于低速设备。
• MOSI（Master Output，Slave Input）：主设备输出/从设备输入引脚，数据方向是从主机到从机。
• MISO（Master Input，Slave Output）：主设备输入/从设备输出引脚，数据方向是从从机到主机。

2.协议层

• 起始信号与停止信号
  NSS时钟信号线由高变低是SPI通信的起始信号，从机被选中。
  NSS时钟信号线由低变高是SPI通信的停止信号，从机选中状态被取消。
• 数据有效性
  MOSI及MISO数据线在SCK每个时钟周期传输一位数据，且输入输出是同时进行的。数据传输时MSB（Most Significant Bit）先行或LSB（Least Significant Bit）先行未作硬性规定但要保证两个SPI通信设备使用相同的协定，通常使用MSB先行模式。
  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。
• CPOL/CPHA及通讯模式
  上图描述的时序只是SPI中的一种通讯模式，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。
  
  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。
  CPHA=1的时序图：不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样。
  
  由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，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”。

二.STM32的SPI特性及架构

以STM32F4系列为例，SPI1、SPI4、SPI5、SPI6是APB2总线上的外设，最高通信速率为42Mbits/s；SPI2、SPI3是APB1总线上的设备，最高通信速率为21Mbits/s。其他功能上没有差异。

• 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。
  
  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。
• 数据控制逻辑
  SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上。
  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；通过读“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。
• 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，会对“状态寄存器SR”的不同数据位写入参数，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。
  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，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产生通信起始和停止信号。
• 通信过程
  
  以STM32作为SPI通信的主机端为例，其数据收发过程如下：
  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。

若使能了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。

三.SPI初始化结构体详解

typedef struct {

     uint32_t Mode; /*设置SPI的主/从机端模式 */

     uint32_t Direction; /*设置SPI的单双向模式 */

     uint32_t DataSize; /*设置SPI的数据帧长度，可选8/16位 */

     uint32_t CLKPolarity;/*设置时钟极性CPOL，可选高/低电平*/

     uint32_t CLKPhase; /*设置时钟相位，可选奇/偶数边沿采样 */

     uint32_t NSS; /*设置NSS引脚由SPI硬件控制还是软件控制*/

     uint32_t BaudRatePrescaler; /*设置时钟分频因子，fpclk/分频数=fSCK */

     uint32_t FirstBit; /*设置MSB/LSB先行 */

     uint32_t TIMode; /*指定是否启用TI模式 */

     uint32_t CRCCalculation; /*指定是否启用CRC计算*/

     uint32_t CRCPolynomial; /*设置CRC校验的表达式*/

 } SPI_InitTypeDef;

• Mode
  SPI_MODE_MASTER或SPI_MODE _SLAVE，
  两者最大区别为SPI的SCK信号线的时序，SCK的时序是由通讯中的主机产生的。 若被配置为从机模式，STM32的SPI外设将接受外来的SCK信号。
• Direction
  SPI的通讯方向，可设置为双线全双工(SPI_DIRECTION_2LINES)， 双线只接收(SPI_DIRECTION_2LINES_RXONLY)，单线SPI_DIRECTION_1LINE。
• DataSize
  SPI通讯的数据帧大小，8位(SPI_DATASIZE_8BIT)或16位(SPI_DATASIZE_16BIT)。
• CLKPolarity和CLKPhase
  时钟极性CLKPolarity和时钟相位CLKPhase，时钟极性CLKPolarity成员，可设置为高电平(SPI_POLARITY_HIGH)或低电平(SPI_POLARITY_LOW)。时钟相位CPHA 则可以设置为SPI_PHASE_1EDGE(在SCK的奇数边沿采集数据) 或SPI_PHASE_2EDGE ( 在SCK的偶数边沿采集数据) 。
• NSS
  NSS引脚的使用模式，硬件模式(SPI_NSS_HARD)或软件模式(SPI_NSS_SOFT)，在硬件模式中的SPI片选信号由SPI硬件自动产生，而软件模式则需要编写代码把相应的GPIO端口拉高或置低产生非片选和片选信号。实际中软件模式应用比较多。
• BaudRatePrescaler
  波特率分频因子，分频后的时钟即为SPI的SCK信号线的时钟频率。可设置为fpclk的2、4、6、8、16、32、64、128、256分频。
• FirstBit
  所有串行的通讯协议都会有MSB先行(高位数据在前)还是LSB先行(低位数据在前)的问题， STM32的SPI模块可以通过该成员对这个特性编程控制。
• TIMode
  是否启用TI模式。可选择为使能(SPI_TIMO DE_ENABLE)与不使能( SPI_TIMODE_DISABLE )。
• CRCCalculation
  指定是否启用CRC计算
• SPI_CRCPolynomial
  SPI的CRC校验中的多项式，若使用CRC校验时，则使用该成员的参数(多项式)，来计算CRC的值。

配置完这些结构体成员后，我们要调用HAL_SPI_Init函数把这些参数写入到寄存器中，实现SPI的初始化，然后调用__HAL_SPI_ENABLE来使能SPI外设。