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1、SPI协议的概念
SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是由摩托罗拉（Motorola）在 1980 前后提出的一种全双工同步串行通信接口，它用于 MCU 与各种外围设备以串行方式进 行通信以交换信息，通信速度最高可达 25MHz 以上。 SPI 接口主要应用在 EEPROM、FLASH、实时时钟、网络控制器、OLED 显示驱动器、AD 转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等设备之间。 SPI 通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（Master Output Slave Input， MOSI），一条主设备输入与从设备输出（Master Input Slave Output，MISO），一条时钟信号（Serial Clock，SCLK），一条从设备使能选择（Chip Select，CS）。 SPI 可以一个主机连接单个或多个从机，每个从机都使用一个引脚进行片选，物理连接示意图如图所示：
2、SPI 的传输模式
2.1 SPI工作模式
SPI通讯需要使用4条线，3条总线和1条片选信号线，在 SCK 时钟周期的驱动下，主机把数据驱动到 MOSI 上传给从机，从机把数据驱动到 MISO 上传给主机，物理连接如下图：
主机发送 N 字节给从机时，必定能接收到 N 字节，至于接收到的 N 字节是否有意义由 从机决定。如果主机只想对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主 机只想读取从机数据，它也要发送数据给从机（发送的数据可以是空数据）。
2.2 SPI传输模式
SPI 有四种传输模式，如下表所示，主要差别在于 CPOL 和 CPHA 的不同。
-
CPOL（Clock Polarity，时钟极性）表示 SCK 在空闲时为高电平还是低电平。当 CPOL=0，SCK 空闲时为低电平，当 CPOL=1，SCK 空闲时为高电平。
-
CPHA（Clock Phase，时钟相位）表示 SCK 在第几个时钟边缘采样数据。当 CPHA=0， 在 SCK 第一个边沿采样数据，当 CPHA=1，在 SCK 第二个边沿采样数据。
2.3 SPI操作方法
在 SPI 传输里，有 2 个角色：Master、Slave。我们常用 Master，它主动发起传输、 产生时钟信号。 对于 STM32，如何使用 SPI Master？ 先初始化：
① 配置 SPI_CR1 寄存器（Control Register）：配置波特率 ;
② 配置 SPI_CR1 寄存器（Control Register）：配置 CPOL、CPHA ;
③ 配置 SPI_CR1 寄存器（Control Register）：配置 LSBFIRT 以决定先传输最高位还是最低位 ;
④ 配置 SPI_CR1 寄存器（Control Register）：配置 NSS 使用软件控制，一般使用 GPIO 来 选择其他 Slave 设备，不是 NSS;
⑤ 配置 SPI_CR1 寄存器（Control Register）：选择 Master 模式、使能 SPI。
如何发送数据呢？把数据写入“SPI_DR”即可，这个数据会被放入放入“Tx Buffer”， 进而放入“shift register”，它就会一位一位地出现在 MOSI 信号线上，发送给 Slave 设 备。当发送完毕后，TXE 标记位被设置。可以使用查询方式或中断方式监测到 TXE 被置位。 如何接收数据呢？即使我们只想接收数据，也要把一个数组写入“SPI_DR”，在发送数 据的同时就会接收到数据：MISO 信号线上的数据被一位一位地移入“shift register”， 然后被放入“Rx Buffer”并且 RXNE 标记位被置一。可以使用查询方式或中断方式监测到 RXNE 被置位，然后读取“SPI_DR”得到数据。
3、时序图
如下图所示，CPHA=0 时，表示在时钟第一个时钟边沿采样数据。当 CPOL=1，即空闲时为高电平，从高电平变为低电平，第一个时钟边沿（下降沿）即进行采样。当 CPOL=0，即 空闲时为低电平，从低电平变为高电平，第一个时钟边沿（上升沿）即进行采样。
4、代码实现
4.1 SPI HAL库编程
使用查询方式读取SPI设备的函数如下：
/* 发送同时接收数据 */ HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); /* 发送数据 */ HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); /* 接收数据 */ HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
函数中的参数说明：
4.2 中断方式
通过编写spi中断回调函数代码，实现对flash的数据写入以及读取的控制和等待，在main文件中调用函数，从而在oled屏幕上显示出字符串“www.100ask.com”的值。
spi.c
static volatile int g_spi1_tx_complete = 0;
static volatile int g_spi1_rx_complete = 0;
static volatile int g_spi1_txrx_complete = 0;
/*
*SPI发送完成中断回调函数，当SPI1发送完成，将全局变量g_spi1_tx_complete设置成1
*/
void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
if(hspi == &hspi1)
{
g_spi1_tx_complete = 1;
}
}
/*这是一个等待SPI1发送完成的函数，它会不断检查g_spi1_tx_complete的值，直到它变为1或者超时。
超时时间由参数timeout指定，
每次循环都会延时1毫秒
*/
void Wait_SPI1_TxCplt(int timeout)
{
while(g_spi1_tx_complete == 0 && timeout--)
{
HAL_Delay(1);
}
g_spi1_tx_complete = 0;
}
/*
*SPI接收完成中断回调函数，当SPI1接收完成，将全局变量g_spi1_rx_complete设置成1
*/
void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
if(hspi == &hspi1)
{
g_spi1_rx_complete = 1;
}
}
/*
这是一个等待SPI1接收完成的函数，它会不断检查g_spi1_rx_complete的值，直到它变为1或者超时。
超时时间由参数timeout指定，每次循环都会延时1毫秒。
*/
void Wait_SPI1_RxCplt(int timeout)
{
while(g_spi1_rx_complete == 0 && timeout--)
{
HAL_Delay(1);
}
g_spi1_rx_complete = 0;
}
/*这是一个SPI发送和接收都完成的中断回调函数，当SPI1发送和接收都完成后，
将全局变量g_spi1_txrx_complete设置为1。
*/
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
if(hspi == &hspi1)
{
g_spi1_txrx_complete = 1;
}
}
void Wait_SPI1_TxRxCplt(int timeout)
{
while(g_spi1_txrx_complete == 0 && timeout--)
{
HAL_Delay(1);
}
g_spi1_txrx_complete = 0;
}
**driver_spi_flash.c**
#include "driver_spi_flash.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#define SPI_FLASH_TIMEOUT 1000
void Wait_SPI1_TxCplt(int timeout);
void Wait_SPI1_TxRxCplt(int timeout);
void Wait_SPI1_RxCplt(int timeout);
extern SPI_HandleTypeDef hspi1;
/* 内部函数 */
static void SPIFlash_Select(void)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_RESET);
}
static void SPIFlash_DeSelect(void)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_SET);
}
static int SPIFlash_WriteEnable(void)
{
uint8_t buf[1] = {0x06};
SPIFlash_Select();
HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, buf, 1);
Wait_SPI1_TxCplt(SPI_FLASH_TIMEOUT);
SPIFlash_DeSelect();
}
static int SPIFlash_ReadStatus(void)
{
uint8_t txbuf[2] = {0x05, 0xff};
uint8_t rxbuf[2] = {0, 0};
SPIFlash_Select();
HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, txbuf, rxbuf, 2);
Wait_SPI1_TxRxCplt(SPI_FLASH_TIMEOUT);
SPIFlash_DeSelect();
return rxbuf[1];
}
static int SPIFlash_WaitReady(void)
{
while (SPIFlash_ReadStatus() & 1 == 1);
}
/* 对外的函数 */
int SPIFlash_ReadID(void)
{
uint8_t txbuf[2] = {0x9F, 0xff};
uint8_t rxbuf[2] = {0, 0};
SPIFlash_Select();
HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi1, txbuf, rxbuf, 2);
Wait_SPI1_TxRxCplt(SPI_FLASH_TIMEOUT);
SPIFlash_DeSelect();
return rxbuf[1];
}
int SPIFlash_EraseSector(uint32_t addr)
{
uint8_t txbuf[4] = {0x20};
/* write enable */
SPIFlash_WriteEnable();
/* erase */
txbuf[1]= (addr>>16) & 0xff;
txbuf[2]= (addr>>8) & 0xff;
txbuf[3]= (addr>>0) & 0xff;
SPIFlash_Select();
HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, txbuf, 4);
Wait_SPI1_TxCplt(SPI_FLASH_TIMEOUT);
SPIFlash_DeSelect();
/* wait ready */
SPIFlash_WaitReady();
return 0;
}
int SPIFlash_Write(uint32_t addr, uint8_t *datas, uint32_t len)
{
uint8_t txbuf[4] = {0x02};
/* write enable */
SPIFlash_WriteEnable();
/* program */
txbuf[1]= (addr>>16) & 0xff;
txbuf[2]= (addr>>8) & 0xff;
txbuf[3]= (addr>>0) & 0xff;
SPIFlash_Select();
/* 发送命令和地址 */
HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, txbuf, 4);
Wait_SPI1_TxCplt(SPI_FLASH_TIMEOUT);
/* 发送数据 */
HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, datas, len);
Wait_SPI1_TxCplt(SPI_FLASH_TIMEOUT);
SPIFlash_DeSelect();
/* wait ready */
SPIFlash_WaitReady();
return 0;
}
int SPIFlash_Read(uint32_t addr, uint8_t *datas, uint32_t len)
{
uint8_t txbuf[4] = {0x03};
/* read */
txbuf[1]= (addr>>16) & 0xff;
txbuf[2]= (addr>>8) & 0xff;
txbuf[3]= (addr>>0) & 0xff;
SPIFlash_Select();
/* 发送命令和地址 */
HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, txbuf, 4);
Wait_SPI1_TxCplt(SPI_FLASH_TIMEOUT);
/* 读取数据 */
HAL_SPI_Receive_IT(&hspi1, datas, len);
Wait_SPI1_RxCplt(SPI_FLASH_TIMEOUT);
SPIFlash_DeSelect();
return 0;
}
**driver_spi_flash.h**
#ifndef __DRIVER_SPI_FLASH_H #define __DRIVER_SPI_FLASH_H #include <stdint.h> int SPIFlash_ReadID(void); int SPIFlash_EraseSector(uint32_t addr); int SPIFlash_Write(uint32_t addr, uint8_t *datas, uint32_t len); int SPIFlash_Read(uint32_t addr, uint8_t *datas, uint32_t len); #endif /* __DRIVER_SPI_FLASH_H */
**main.c**
char *str = "www.100ask.net";
char flash_buf[20];
SPIFlash_EraseSector(4096);
SPIFlash_Write(4096, str, strlen(str)+1);
SPIFlash_Read(4096, flash_buf, 20);
OLED_PrintString(0, 2, flash_buf);
实现现象
4.3 DMA方式函数说明
使用DMA方式读取SPI设备的函数如下：
/* 发送同时接收数据 */ HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size); /* 发送数据 */ HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); /* 接收数据 */ HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size);
函数中参数说明
这几个函数只是启动 SPI 传输，以后完全由 DMA 来传输后续数据。这两个函数返回后， 并不表示传输已经完成，需要在回调函数里判断。 要使用 DMA 方式，还需要使用 STM32CubeMX 配置 DMA，如下：
数据读写完成或者出错调用以下函数：
/* 发送、接收完成回调函数 */ void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi); /* 发送完成回调函数 */ void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi); /* 接收完成回调函数 */ void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) /* 出错回调函数 */ void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi);
5、总结
5.1 SPI协议的优点
-
SPI通信协议易于理解和实现，硬件接口仅涉及几根信号线，包括时钟线（SCLK）、主设备输出/从设备输入线（MOSI）、主设备输入/从设备输入线（MISO）、片选信号线（SS）。
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SPI支持全双工通信，允许主设备和从设备同时发送和接收数据。
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能够实现高速传输、支持多种工作模式。
5.2 SPI协议的缺点
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缺乏流控制：SPI不提供内置的流量控制机制，如RTS（请求发送）和CTS（清除发送），在通信过程中，发送方无法知道接收方是否准备好接受数据，可能会导致数据溢出或丢失。
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调试困难：由于SPI是同步通信协议，并且缺乏内置的错误检测和纠错机制，调试SPI通信问题可能比较困难。
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共享总线限制：在SPI通信中，所有从设备共享相同的总线，即MISO、MOSI和SCLK线。当多个从设备同时通信时，总线上负载增加，可能会导致信号失真和传输延迟。这种共享总线架构限制了系统的扩展和性能。