STM32学习笔记，SPI通信协议（理论部分）

SPI通信和I2C通信差不多，两个协议的目的都一样，都是实现主控芯片和各种外挂芯片之间的数据交流；有了数据交流的能力，主控芯片就可以挂载并操纵各式各样的外部芯片，来实现一个功能更强大的控制系统；

课程安排与I2C通信一样，先学习SPI协议的软硬件规定；

先用软件模拟的SPI，实现读写W25Q64 FLASH存储器，之后，再学习STM32中的SPI外设，再用硬件SPI实现同样的功能，

这里的W25Q64是一个FLASH存储器芯片，它内部可以存储8M字节的数据，并且是掉电不丢失的，如果在之后的项目中，需要存储大量的数据，就可以考虑外挂这个芯片；

用四根通信线将STM32与W25Q64连接在一起，STM32操作引脚电平，实现SPI通信的时序，进而实现读取存储器芯片的目的；

使用SPI读取ID号，就可以进行最简单的测试了，如果读取的ID号和手册里一样，说明SPI通信基本没问题；

存储器芯片，可以写入几个数据，然后读出来看对不对；

SPI，Serial Peripheral Interface，是摩托罗拉公司开发的一种通用数据总线，与I2C一样，都是通用数据总线；都是用于主控与外挂芯片之间的通信；

四根通信线：SCK，Serial Clock；MOSI，Master Output Slave Input；MISO，Master Input Slave Output；SS，Slave Select；

同步，全双工；

支持总线挂载多设备，一主多从；

在学习I2C时，无论是硬件电路，还是软件时序，设计的都是相对比较复杂的。硬件上，要配置为开漏外加上拉的模式；软件上，有很多要求，比如，用一条数据线兼顾数据收发、应答位收发、寻址机制设计等等，最终使得I2C通信的性价比比较高，I2C可以在消耗最低硬件资源的情况下，实现最多的功能。在硬件上，无论挂载多少个设备，都只需要两根通信线；在软件上，数据双向通信、应答位，都可以实现，如果把I2C比作一个人的话，那I2C就是一个精打细算、思维灵活的人，既要实现硬件上最少的通信线，又要实现软件上最多的功能；

但是I2C也存在一个缺点，由于I2C开漏外加上拉电阻的电路结构，使得通信线高电平的驱动能力比较弱，这就导致，通信线由低电平变到高电平的时候，这个上升沿耗时比较长，这会限制I2C的最大通信速度，所以，I2C的标准模式，只有100KHz的时钟频率，I2C的快速模式，也只有400KHz，速度相较于SPI而言，低了很多；

SPI优点：传输更快，SPI协议并没有严格规定最大传输速度，这个最大传输速度取决于芯片厂商的设计需求。比如，W25Q64存储器芯片，手册里写的SPI时钟频率，最大可达80MHz；其次，SPI设计简单粗暴，实现的功能没有I2C那么多，所以学习起来SPI比I2C简单很多。但是SPI硬件开销比较大，通信线的个数比较多，并且通信过程中，通常会有资源浪费的情况，

SCK引脚是用来提供时钟信号的，数据位的输出和输入，都是在SCK的上升沿或下降沿进行的，这样的数据位的收发时刻就可以明确的确定；并且，同步时序，时钟快点慢点，或者中途暂停一会，都是没有影响的。对照I2C总线，这个SCK就相当于SCL，两者作用相同；

全双工，发送用发送的线路，接收用接收的线路，两者互不影响；

所以MOSI和MISO就是分别用于发送和接收的两条线路；如果主机接在MOSI这条线上，那主机就是MO；如果从机接在这条线上，那从机就是SI，从机输入；意思就是一条通信线，如果主机接在上面配置为输出，从机肯定得配置为输入，从机才能接收主机的数据，主机和从机不能同时设置为输出或输入。所以，这条MOSI就是主机向从机发送数据的线路。那同理，MISO就是主机从从机接收数据的线路。那这两根通信线加在一起，就相当于I2C总线的SDA；

全双工的好处就是简单高效，输出线就一直输出，输入线就一直输入，数据流的方向不会改变，也不用担心发送和接收没协调好冲突了。

但坏处就是多了一条线，会有资源的浪费；

SPI仅支持一主多从，不支持多主机，这一点，从功能上，SPI没有I2C强大；

I2C实现一主多从的方式时，在起始条件后，先发送一个地址的字节进行寻址，用来指定跟哪个从机进行通信，所以I2C这里要涉及分配地址和寻址的问题；但SPI这里会单独开辟一条通信线，指定跟哪个从机进行通信。所以，这条专门指定的通信线就是SS，从机选择线，并且这个SS可能不止一条。SPI的主机表示，有几个从机，就开几条SS；给低电平，说明要跟这个从机进行通信，高电平，就不跟这个从机通信。好处是方便，坏处是得加线；

SPI没有应答机制的设计，发送数据就发送，接收数据就接收，至于对面是否存在，SPI是不管的。

看一下SPI的硬件软件规定。

这个图是SPI一个典型的应用电路，

左边这个是SPI主机，主导整个SPI总线，主机，一般是控制器来做，比如STM32。下面就是挂载在SPI总线上的从设备，比如存储器、显示屏等。左边引出来6根线，因为有三个从机，所以SS线有三根，再加SCK、MOSI、MISO，当然这些通信线都是单端信号，他们的高低电平都是相对于GND的电压差，所以单端信号的设备都需要共地，这里GND的线没有画出来，但是必须要接，如果从机没有供电的话，主机还需要引出电源正极VCC，给从机供电。

时钟线完全由主机掌控，所以，对主机来说，时钟线始终为输出，对于所有从机来说，时钟线都为输入，这样主机的同步时钟，就能送到各个从机了。

主机通过MOSI输出，所有从机通过MOSI输入。MISO则相反。

对于线的连接，所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起；主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚，主机的SS线都是输出，从机的SS线都是输入，SS线是低电平有效的，主机想指定谁，就把指定的SS线置低电平就可以；一开始连接好线之后，将所有的SS线都置高电平，当主机想要和从机1通信，就将SS1置低电平。通信结束后，就将SS1置回高电平，结束通信。同一个时间，主机只能置一个从机为低电平，只能选择一个从机。

输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入；推挽输出的高低电平均有很强的驱动能力，SPI引脚不管是上升沿还是下降沿都是非常迅速。而I2C上升沿很慢，下降沿很快，所以SPI信号变化快，自然就能达到更高的速度。

这是由于I2C要实现半双工，需要经常切换输入输出，且要实现多主机和总线仲裁 ，一不小心就会短路，所以I2C选择实现更多的功能，放弃更好的性能。

但SPI也有一个冲突，就是MISO引脚。主机始终都是输入，从机是三个输出，如果从机三个都始终是推挽输出，势必会造成冲突。所以在SPI协议里有一条规定，当从机SS引脚为高电平时，也就是从机未被选中，它的MISO引脚必须切换为高阻态，高阻态就相当于断开，不接通。这样就防止一条线有多个输出，而导致的电平冲突的问题。

在SS低电平时，MISO才允许变为推挽输出。当然这个切换过程都是在从机里，我们主要写主机的程序，并不需要关注这个问题。

下面这个移位示意图是SPI硬件电路设计的核心。

左边SPI主机，里面有一个8位的移位寄存器，右边从机，里面也有一个8位的移位寄存器，移位寄存器有一个时钟输入端，因为SPI都是高位先行，每来一个时钟，移位寄存器都会向左进行一次移位，从机同理。

移位寄存器的时钟源，都是主机提供的，这里叫做波特率发生器。他产生的时钟驱动主机的移位寄存器进行移位。同时，他还通过SCK引脚进行输出，接到从机的移位寄存器里。主机移位寄存器左边移出去的数据，通过MOSI引脚，输入到从机移位寄存器的右边；从机移位寄存器左边移出去的数据，通过MISO引脚，输入到主机移位寄存器的右边，形成一个循环。

波特率发生器时钟产生的上升沿，所有移位寄存器向左移动一位，移出去的数据放到引脚上；当下降沿时，引脚上的数据采样输入到移位寄存器的最低位。

放到了通信线上，实际是放到了输出数据寄存器。

由上图可以看到，MOSI的数据是1，所以MOSI的电平就是高电平；MISO的数据是0，所以MISO的电平就是低电平。这是第一个时钟上升沿执行的结果，就是将主机和从机移位寄存器的最高位，分别放到MOSI和MISO通信线上，这就是数据的输出。之后，时钟继续运行，下一个边沿就是下降沿，在下降沿时，主机和从机内，都会进行数据采样输入。

也就是MOSI的1会采样输入到从机的最低位，MISO的0会采样输入到主机的最低位。同样的，下一个上升沿，同样的操作，移位输出。一直到第8个时钟，都是同样的。SPI的数据收发，都是基于字节交换，这个基本单元来的。当主机需要同时发送一个字节和接收一个字节，就可以进行一下字节交换的时序。这就是同时发送和接收的过程。

当只想发送不想接收时，仍然调用字节交换的时序，发送，同时接收，只是我们不看接收的数据即可。只想接收不想发送同理，随便发送一个数据，只要能把从机的字节交换过来即可。这个数据一般发0x00，或者0xFF。

SPI通信的基础是交换一个字节，有了交换字节的基础，SPI就有了发送一个字节、接收一个字节、同时发送接收一个字节三个功能。可以看出，SPI在只发送或只接收一个字节的时候，会发生资源浪费的情况。但是全双工的通信，本来就会有浪费的情况发生。

SPI基本时序单元。

起始条件和终止条件。

在从机的选中状态中，SS要始终保持低电平。

SPI时序基本单元。

SPI有两个可以配置的位，CPOL，clock polarity，时钟极性。CPHA，clock phase，时钟相位。每一位可以配置为0或1，综合起来就是模式0/1/2/3四种模式。只要学习其中一种即可。

从机的MISO一开始线在中间，表示高阻态，

SS下降沿之后，从机的MISO被允许开启输出；SS上升沿之后，从机MISO必须上升为高阻态。由图看出，在SCK第一个边沿，主机和从机同时移出最高位，此时MOSI的电平就代表了主机要发送的电平B7，MISO的电平代表了从机要发送的电平B7。当SCK第二个边沿，主机和从机同时移入数据，也就是进行数据采样。这里主机移出的B7，进入从机移位寄存器的最低位，从机移出的B7，进入主机移位寄存器的最低位。这样一个时钟脉冲产生完毕，一个数据位传输完毕。

当传输完一个字节后，MOSI的电平还可以在变化一次，置为默认的高电平或低电平，当然也可以不用管，因为SPI并没有规定默认的MOSI电平。

然后MISO，从机必须得置回高阻态，此时，如果主机的MISO为上拉输入的话，那MISO引脚的默认电平就是高电平，如果主机MISO引脚为浮空输入，那MISO引脚的电平不确定。

如果想发送多个字节，那就第一个字节发送完毕后，主机不将SS引脚置为高电平。

模式0在SCK第一个边沿就要移出数据，但是数据需要先移出才能移入，所以在SCK一个边沿之前，就已经开始移出数据了。在SS下降沿之后，趁SCK第一个边沿之前，SS下降沿时就要触发开始移出数据。所以MOSI和MISO的移位输出是对齐到SS下降沿的。

在实际应用中，模式0是应用最多的，所以后续的讲解都是基于模式0的。

模式0和模式2区别在于SCK的极性取反一下，剩下流程上的东西，完全一致。

模式1和模式3的区别同理。

CPHA只是规定了第几个边沿进行采样，并不是规定了上升沿还是下降沿进行采样。

每个芯片对SPI时序字节流功能的定义不一样，这节课以W25Q64存储器芯片的时序为例进行讲解。SPI对字节流的规定并不像I2C协议的规定，有效数据流第一个字节是寄存器地址，之后依次是读写的数据，是读写寄存器的模式。

而在SPI中，用的是指令码加读写数据的模型。即SPI起始后，第一个发送给从机的数据，叫做指令码。在从机中，会定义一个指令集，当我们需要发送哪个指令时，就可以在起始后的第一个字节，发送指令集里的数据，这样就能指导从机完成相应的功能。不同的指令集，有不同的数据个数。有的指令，只需要一个字节的指令码就可以确定。比如，W25Q64的读使能和写使能等指令，而有的指令，后面还需要再跟要读写的数据，比如W25Q64的读数据和写数据等，写数据，就要指定我要在哪里写，我要写什么。读数据就是指定我要在哪里读，读到的是什么，这就是指令码加读写数据的模型。

在SPI的从机手册里，都会定义好指令集，什么指令对应什么功能，什么指令后面得跟上什么样的数据。

上图的波形使用的是模式0，在空闲状态时，SS为高电平，SCK为低电平，MOSI和MISO没有规定默认电平。然后SS产生下降沿，时序开始，在下降沿时刻，MOSI和MISO就开始移出数据了。MISO，引脚电平没有变换，实际上W25Q64不需要回传数据，手册里规定MISO仍然是高阻态，从机并没有开启输出，不过这也没问题，反正数据也不需要看。因为这里STM32的MISO是上拉输入，所以这里MISO呈高电平。之后，SCK第一个上升沿，进行数据采样，画了一条绿线，从机采样输入0，主机采样输入，得到1。就这样一位一位的进行发送接收。

因为写使能是单独的指令，不需要跟随数据，所以SPI只需要交换一个字节即可。在最后，SCK下降沿之后，SS置回高电平，结束通信。

整个时序的功能，就是发送指令，指令码是0x06。从机比对好之前写好的指令集，发现0x06是写使能的指令。那从机就会控制硬件进行写使能，这样一个指令从发送到执行就完成了。

因为W25Q64芯片有8M字节的存储空间，一个字节的8位地址肯定不够，所以这里是24位的，分3个字节传输。

在SS下降沿之后，SCK第一个时钟之前，可以看到MOSI变换数据，由高电平变为低电平，然后SCK上升沿，数据采样输入。后面还是一样，下降沿变换数据，上升沿读取数据，8个时钟之后，一个字节交换完成。用0x02交换来了0xFF，其中，0x02是写数据的指令，0xFF不需要看。既然是写数据的时序，后面还需要跟着写的地址跟数据，所以在最后的下降沿时刻，因为后续要需要继续交换字节，所以在这个下降沿，要把下一个字节的最高位放到MOSI上。

根据W25Q64芯片手册的规定，写指令后的第一个字节表示发送地址的最高位，即23~16位。最后通过3个字节的交换，24位的地址就发送完毕了。3个字节结束后，就要发送写入指定地址的内容了，继续调用交换一个字节，发送数据0x55。

SPI里也有像I2C一样的地址指针，每读写一个字节，地址指针自动加1。如果发送一个字节之后，不终止，那继续发送的字节就会依次写入到后续的存储空间里。这样就可以从指定地址开始，写入多个字节。由于SPI没有应答机制，所以在交换一个字节之后，就立刻交换下一个字节了。

W25Q64存储器芯片的容量大，所以需要连续指定3个字节的地址，如果容量小的话，可能一个字节就够了。或者有的芯片会直接把地址融合到指令码里去。

3个字节的地址指定之后，就要接收数据，就随便给从机要给数据，一般是0xFF，这时从机就会把0x123456地址下的数据通过MISO发送给主机。如果继续发送下一个字节，就继续抛砖引玉，指针地址自动加1，从机会继续把指定地址下一个位置的数据发送过来。这样依次进行，就可以实现指定地址接收多个字节的目的了。最后，SS置回高电平，时序结束。

一些细节，由于MISO是硬件控制的波形，其波形变化都是紧贴时钟的下降沿。

另外，MISO数据的最高位，实际就是在上一个字节，最后一个下降沿之前发生的，因为这是SPI模式0，数据的变化都要提前半个周期。