SPI總線概述

1 基本概念

串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的簡稱也叫做SPI，是一種高速、全雙工同步通信的一種接口，串行外設接口一般是需要4根線來進行通信（NSS、MISO、MOSI、SCK），但是如果打算實現(xiàn)單向通信也可以只使用3根線（NSS、MISO/MOSI、SCK），就可以利用這種機制實現(xiàn)一對多或者一對一的通信。

2 引腳定義

通常SPI通過4個引腳與外部器件相連：

• MISO (Master Input Slave Output)：主設備輸入/從設備輸出引腳 。該引腳在從模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在主模式下接收數(shù)據(jù)。
• MOSI (Master Output Slave Input)：主設備輸出/從設備輸入引腳。 該引腳在主模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在從模式下接收數(shù)據(jù)。
• SCK (Serial Clock)：串行時鐘 ，作為主設備的輸出，從設備的輸入.
• NSS (Negative Slave Select)：低電平有效的從器件選擇。 這是一個可選的引腳，用來選擇主/從設備。它的功能是用來作為“片選引腳”，讓主設備可以單獨地與特定從設備通訊，避免數(shù)據(jù)線上的沖突。

SPI總線：單一主機對單一從機

SPI總線：單一主機對復合從機

SPI總線采用的 環(huán)形結構 ，利用的是主從模式（主機→從機）進行數(shù)據(jù)的傳輸，由于是同步通信，所以在主機發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也會收到從機發(fā)送的數(shù)據(jù)。

MOSI腳相互連接，MISO腳相互連接。這樣，數(shù)據(jù)在主和從之間串行地傳輸（MSB位在）。通信總是由主設備發(fā)起。主設備通過MOSI腳把數(shù)據(jù)發(fā)送給從設備，從設備通過MISO引腳回傳數(shù)據(jù)。這意味全雙工通信的數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入是用同一個時鐘信號同步的；時鐘信號由主設備通過SCK腳提供。

NSS的說明：主機的NSS引腳在空閑狀態(tài)下應處于高電平（VDD），主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，主機的NSS應為輸出模式，從機的NSS為輸入模式，當主機的NSS引腳拉低，從設備的NSS引腳可以檢測到低電平，該設備被選中。

從SPI的結構框圖中可以看到NSS也是外部引腳的名稱，其實控制SPI收發(fā)數(shù)據(jù)是通過內部的NSS信號實現(xiàn)的，而這個內部的NSS信號源可以由SPI_CR1寄存器的SSM（Software slave management）位來配置。

• 軟件NSS模式，SSM=1 ：可以通過設置SPI_CR1寄存器的SSM位來使能這種模式。在這種模式下NSS引腳可以用作它用，而內部NSS信號電平可以通過寫SPI_CR1的SSI位來驅動。
  
  
  SSM ：軟件從設備管理。當SSM被置位時，NSS引腳上的電平由SSI位的值決定。
  0：禁止軟件從設備管理；
  1：啟用軟件從設備管理。
• 硬件NSS模式，SSM=0：內部NSS信號電平由NSS引腳電平?jīng)Q定。在這種“硬件模式”下要用SPI_CR2的SSOE（Software Save Output Enable）位來控制NSS作為輸入還是輸出，當SSOE=0時，NSS引腳被配置為輸入；當SSOE=0時，NSS引腳被配置為輸出。

3 工作模式

注意：由于SPI外設是 全雙工同步通信 ，所以時鐘信號就由SCK引腳來生成， SCK引腳只能由主設備控制，從設備是無法控制的 ，所以SCK引腳輸出的脈沖信號的極性和相位就需要進行配置。

3.1 時鐘信號的相位和極性

SPI_CR寄存器的CPOL(時鐘極性位)和CPHA(時鐘相位位)，能夠組合成四種可能的時序關系。

• 時鐘極性CPOL ：指的是在SPI總線空閑狀態(tài)下（不傳輸任何數(shù)據(jù)）SCK引腳的默認的電平狀態(tài)。SCK空閑狀態(tài)下的電平可以由SPI_CR1寄存器的CPOL位來進行設置。主設備的時鐘極性要根據(jù)從設備來設置。
  • 如果CPOL被清‘0’，SCK引腳在空閑狀態(tài)保持低電平；
  • 如果CPOL被置’1’，SCK引腳在空閑狀態(tài)保持高電平。
• 時鐘相位CPHA ：指的是在傳輸數(shù)據(jù)時選擇脈沖信號的邊沿（上升沿或者下降沿）來進行數(shù)據(jù)的采集或者修改。該位可以由SPI_CR1寄存器的CPHA位來進行設置。主設備的時鐘相位要根據(jù)從設備來設置。
  • 如果CPHA位被置’1’，SCK時鐘的第二個邊沿(CPOL位為0時就是下降沿，CPOL位為’1’時就是上升沿)進行數(shù)據(jù)位的采樣，數(shù)據(jù)在第二個時鐘邊沿被鎖存。
  • 如果CPHA位被清’0’，SCK時鐘的第一邊沿(CPOL位為’0’時就是下降沿，CPOL位為’1’時就是上升沿)進行數(shù)據(jù)位采樣，數(shù)據(jù)在第一個時鐘邊沿被鎖存。

通過這兩位可以得到四種不同的組合，就被作為SPI總線的工作模式（ 模式0~模式3 ），到底要選擇哪種模式，主機的工作模式必須根據(jù)從設備的數(shù)據(jù)手冊的說明進行設置。

在實際的開發(fā)過程中，使用最多是模式0和 模式3 ，比如2.4G無線通信模塊NRF24L01采用模式0來通信。

3.2 數(shù)據(jù)幀格式

• 根據(jù)SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位，輸出數(shù)據(jù)位時可以MSB(高位先出)在先也可以LSB(低位先出)在先。主機的數(shù)據(jù)格式必須要根據(jù)從機的數(shù)據(jù)格式進行設置。
• 根據(jù)SPI_CR1寄存器的DFF位，每個數(shù)據(jù)幀可以是8位或是16位。所選擇的數(shù)據(jù)幀格式對發(fā)送和/或接收都有效。

DFF ：數(shù)據(jù)幀格式 (Data frame format)

• 0：使用8位數(shù)據(jù)幀格式進行發(fā)送/接收；
• 1：使用16位數(shù)據(jù)幀格式進行發(fā)送/接收。
  注：只有當SPI禁止(SPE=0)時，才能寫該位，否則出錯

LSBFIRST ：幀格式 (Frame format)

• 0：先發(fā)送MSB；
• 1：先發(fā)送LSB。
  注：當通信在進行時不能改變該位的值。

4 通信速率

5 使用流程

The SPI HAL driver can be used as follows:

  (#) **Declare a SPI_HandleTypeDef handle structure**, for example:
      `SPI_HandleTypeDef  hspi`;

  (#)**Initialize the SPI low level resources** by implementing the `HAL_SPI_MspInit()` API:
      (##) **Enable the SPIx interface clock**
      (##) **SPI pins configuration**
          (+++) Enable the clock for the SPI GPIOs
          (+++) Configure these SPI pins as alternate function push-pull
      (##) **NVIC configuration if you need to use interrupt process**
          (+++) Configure the SPIx interrupt priority
          (+++) Enable the NVIC SPI IRQ handle
      (##) **DMA Configuration if you need to use DMA process**
          (+++) Declare a DMA_HandleTypeDef handle structure for the transmit or receive Stream/Channel
          (+++) Enable the DMAx clock
          (+++) Configure the DMA handle parameters
          (+++) Configure the DMA Tx or Rx Stream/Channel
          (+++) Associate the initialized hdma_tx(or _rx)  handle to the hspi DMA Tx or Rx handle
          (+++) Configure the priority and enable the NVIC for the transfer complete interrupt on the DMA Tx or Rx Stream/Channel

  (#) **Program the Mode, BidirectionalMode , Data size, Baudrate Prescaler, NSS
      management, Clock polarity and phase, FirstBit and CRC configuration in the hspi Init structure.**

  (#) **Initialize the SPI registers by calling the** `HAL_SPI_Init() API`:
      (++) This API configures also the low level Hardware GPIO, CLOCK, CORTEX...etc)
          by calling the customized HAL_SPI_MspInit() API.

簡述如下：

• 聲明一個 SPI_HandleTypeDef 句柄結；
• 通過 HAL_SPI_MspInit() 初始化 SPI 低級資源；
  • 使能 SPIx 接口時鐘
  • SPI 引腳配置
  • 如果需要使用中斷進程，配置NVIC
  • 如果需要使用DMA進程，配置DMA
• 在hspi初始化結構體中配置Mode, BidirectionalMode , Data size, Baudrate Prescaler, NSS, management, Clock polarity and phase, FirstBit and CRC
• 通過調用 HAL_SPI_Init()初始化 SPI 寄存器：