引言
在万物互联时代，“通信”对物联网尤为重要。在单片机或嵌入式开发领域，几乎很少有一个硬件单独就能实现所有功能的，即使是单片机裸机开发，往往也需要与传感器进行通信。
SPI可以说是我们在嵌入式开发中，最常用的通信协议之一，本文将来介绍什么是SPI协议l，SPI协议的特点是什么，怎么用SPI协议。
介绍
SPI 简介
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合。并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。
SPI接口是全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master.时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后；SPI接口有两根单向数据线，为全双工通信，目前数据速率可达几Mbps的水平，速率较高。
SPI特点
- 可以同时发出和接收串行数据；
- 可以当作主机或从机工作；
- 提供频率可编程时钟；
- 发送结束中断标志；
- 写冲突保护；
- 总线竞争保护；
- 传输速度快
SPI 物理层
SPI总线是一种4线总线，因其硬件功能很强，所以与SPI有关的软件就相当简单，使中央处理器有更多的时间处理其他事务。
- MOSI：主器件输出，从器件数据输入；这条线上数据的方向为主机到从机。
- MISO主器件数据输入，从器件数据输出，即在这条线上数据的方向为从机到主机。
- SCLK：时钟信号，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
- /SS：从器件使能信号，由主器件控制（片选）。而 SPI 协议中没有设备地址，它使用 NSS 信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的 NSS 信号线设置为低电平，该从
设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI 通讯。所以SPI 通讯以 NSS 线置低电平为开始信号，以 NSS 线被拉高作为结束信号。
SPI 协议层
SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。NSS 是每个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。NSS 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定。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。
STM32 的 SPI 特性及架构
STM32F1 的 SPI 功能很强大，SPI 时钟最高可以到 18Mhz，支持 DMA，可以配置为 SPI协议或者 I2S 协议。
STM32 的主模式配置步骤如下：
- 配置相关引脚的复用功能，使能 SPI2 时钟。
我们要用 SPI2，第一步就要使能 SPI2 的时钟，SPI2 的时钟通过 APB1ENR 的第 14 位来设置。其次要设置 SPI2 的相关引脚为复用输出，这样才会连接到 SPI2 上否则这些 IO 口还是默认的状态，也就是标准输入输出口。这里我们使用的是 PB13、14、15 这 3 个（SCK.、MISO、MOSI，CS 使用软件管理方式），所以设置这三个为复用功能 IO。
使能 SPI2 时钟的方法为：
__HAL_RCC_SPI2_CLK_ENABLE(); //使能 SPI2 时钟
复用 PB13,14,15 为 SPI2 引脚通过 HAL_GPIO_Init 函数实现，代码如下：
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15;
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; //快速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
- 设置 SPI2 工作模式
这一步全部是通过 SPI2_CR1 来设置，我们设置 SPI2 为主机模式，设置数据格式为 8 位，然后通过 CPOL 和 CPHA 位来设置 SCK 时钟极性及采样方式。并设置 SPI2 的时钟频率（最大18Mhz），以及数据的格式（MSB 在前还是 LSB 在前）。在 HAL 库中初始化 SPI 的函数为：
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi);
SPI 初始化实例代码如下：
SPI1_Handler.Instance= SPI2; // SPI2
SPI1_Handler.Init.Mode=SPI_MODE_MASTER; //设置 SPI 工作模式，设置为主模式
SPI1_Handler.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES;
//设置 SPI 单向或者双向的数据模式:SPI 设置为双线模式
SPI1_Handler.Init.DataSize=SPI_DATASIZE_8BIT;
//设置 SPI 的数据大小:SPI 发送接收 8 位帧结构
SPI1_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_HIGH;
//串行同步时钟的空闲状态为高电平
SPI1_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_2EDGE;
//串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
SPI1_Handler.Init.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
SPI1_Handler.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为 256
SPI1_Handler.Init.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
SPI1_Handler.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE; //关闭 TI 模式
SPI1_Handler.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
//关闭硬件 CRC 校验
SPI1_Handler.Init.CRCPolynomial=7; //CRC 值计算的多项式
HAL_SPI_Init(&SPI2_Handler);//初始化
同样，HAL 库也提供了 SPI 初始化 MSP 回调函数 HAL_SPI_MspInit，定义如下：
void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi);
- 使能 SPI2
__HAL_SPI_ENABLE(&SPI2_Handler); //使能 SPI2
- SPI 传输数据
通信接口当然需要有发送数据和接受数据的函数，HAL 库提供的发送数据函数原型为：
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData,
uint16_t Size, uint32_t Timeout);
这个函数很好理解，往 SPIx 数据寄存器写入数据 Data，从而实现发送。
HAL 库提供的接受数据函数原型为：
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData,
uint16_t Size, uint32_t Timeout);
这个函数也不难理解，从 SPIx 数据寄存器读出接受到的数据。
前面我们讲解了 SPI 通信的原理，因为 SPI 是全双工，发送一个字节的同时接受一个字节，发送和接收同时完成，所以 HAL 也提供了一个发送接收统一函数：
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData,
uint8_t *pRxData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
该函数发送一个字节的同时负责接收一个字节。
设计实现
- SPI1的初始化
以下是SPI模块的初始化代码，配置成主机模式。
void SPI2_Init(void)
{
SPI2_Handler.Instance=SPI2; //SPI2
SPI2_Handler.Init.Mode=SPI_MODE_MASTER; //设置SPI工作模式，设置为主模式
SPI2_Handler.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES; //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线模式
SPI2_Handler.Init.DataSize=SPI_DATASIZE_8BIT; //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
SPI2_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_HIGH; //串行同步时钟的空闲状态为高电平
SPI2_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_2EDGE; //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
SPI2_Handler.Init.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
SPI2_Handler.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
SPI2_Handler.Init.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
SPI2_Handler.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE; //关闭TI模式
SPI2_Handler.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//关闭硬件CRC校验
SPI2_Handler.Init.CRCPolynomial=7; //CRC值计算的多项式
HAL_SPI_Init(&SPI2_Handler);//初始化
__HAL_SPI_ENABLE(&SPI2_Handler); //使能SPI2
SPI2_ReadWriteByte(0Xff); //启动传输
}
- 底层驱动，时钟使能，引脚配置
void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); //使能GPIOB时钟
__HAL_RCC_SPI2_CLK_ENABLE(); //使能SPI2时钟
//PB13,14,15
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15;
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; //快速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
}
- SPI速度设置函数
void SPI2_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{
assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));//判断有效性
__HAL_SPI_DISABLE(&SPI2_Handler); //关闭SPI
SPI2_Handler.Instance->CR1&=0XFFC7; //位3-5清零，用来设置波特率
SPI2_Handler.Instance->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler;//设置SPI速度
__HAL_SPI_ENABLE(&SPI2_Handler); //使能SPI
}
- 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
u8 SPI2_ReadWriteByte(u8 TxData)
{
u8 Rxdata;
HAL_SPI_TransmitReceive(&SPI2_Handler,&TxData,&Rxdata,1, 1000);
return Rxdata; //返回收到的数据
}
后续
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