STM32笔记（十二）

? SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。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。

SPI 通讯设备之间的常用连接方式见图1。

图1 常见的 SPI 通讯系统

SPI 通讯使用 3 条总线及片选线， 3 条总线分别为 SCK、 MOSI、 MISO，片选线为CS(NSS)。它们的作用介绍如下：

与 I2C 的类似， 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。

SPI 通讯的通讯时序，见图2。 图2 SPI 通讯时序 这是一个主机的通讯时序。 NSS、 SCK、 MOSI 信号都由主机控制产生，而 MISO 的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。 MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

? 在图2 中的标号①处， 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。在图中的标号⑥处， 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，一般都会采用图2 中的 MSB 先行模式。 ? 观察图中的②③④⑤标号处， 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。

? 图2 中的时序只是 SPI 中的其中一种通讯模式， 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。见图3及图4。

图3 CPHA=0 时的 SPI 通讯模式 图4 CPHA=1 时的 SPI 通讯模式 ? 由 CPOL 及 CPHA 的不同状态， SPI 分成了四种模式，见表1，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”。 表1 SPI 的四种模式

? STM32的SPI外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的SCK时钟频率为fpclk/2 (STM32F10x型号的芯片默fpclk1为72MHz，fpclk2为36MHz)，完全支持SPI协议的4种模式，数据帧长度可设置为8位或16位，可设置数据MSB先行或LSB先行。它还支持双线全双工、双线单向以及单线模式。

图5 SPI 架构图

? SPI 的所有硬件架构都从图 25-5 中左侧 MOSI、 MISO、 SCK 及 NSS 线展开的。STM32 芯片有多个 SPI 外设，它们的 SPI 通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，关于 GPIO 引脚的复用功能，以规格书为准。

? 实际应用中，我们一般不使用 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，从而产生通讯起始和停止信号。

? 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，计算方法见表2。 表2 BR 位对 fpclk 的分频

? 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。

? SPI 的 MOSI 及 MISO 都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标接收、发送缓冲区以及 MISO、 MOSI 线。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 F 缓冲区中，通讯读“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。

? STM32 使用 SPI 外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器 SR”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。图6 中的是“主模式”流程，即 STM32 作为 SPI 通讯的主机端时的数据收发过程

图6 主发送器通讯过程 主模式收发流程及事件说明如下：

? 假如我们使能了 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。

? 本实验中的 FLASH 芯片(型号： W25Q64)是一种使用 SPI 通讯协议的 NOR FLASH存 储 器 ， 它 的CS/CLK/DIO/DO 引 脚 分 别 连 接 到 了 STM32 对 应 的 SPI 引 脚NSS/SCK/MOSI/MISO 上，其中 STM32 的 NSS引脚是一个普通的 GPIO，不是 SPI 的专用NSS 引脚，所以程序中我们要使用软件控制的方式。FLASH 芯片中还有 WP 和 HOLD 引脚。

WP 引脚可控制写保护功能，当该引脚为低电平时，禁止写入数据。我们直接接电源，不使用写保护功能。

HOLD 引脚可用于暂停通讯，该引脚为低电平时，通讯暂停，数据输出引脚输出高阻抗状态，时钟和数据输入引脚无效。实验中直接接电源，不使用通讯暂停功能。

实验中W25Q64对应的指令内容如表3所示：

表3 W25Q64对应的指令内容