stm32 HAI库 SPI（一）原理

基本特点

  • 通信方式：同步、串行（串行、并行、并发，别再傻傻分不清了！_串行和并行的区别-CSDN博客）、全双工 （也可以选择半双工）
  • 速率：50MHZ以下
  • 数据格式：8位/16位
  • 传输顺序：MSB先行/LSB先行

通信

spi通信需要四个引脚，MOSI MISO SCK NSS。

  • MOSI： master output slave input 主设备数据输出 从设备数据接收
  • MISO：master input slave output
  • SCK：时钟线 只有主设备能控制。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
  • NSS（CS）：片选不同的从设备 可选择硬件NSS和软件NSS

一对一：

一对多：

SCK

时钟线 空闲电平取决于工作模式的设置（见后）

NSS

原理：NSS保持高电平，如果想发起通信，主设备就去拉低对应从机的NSS信号线使能从机 开始与其通信（即MOSI 与 MISO 的信号只在 NSS 为低电平的时候才有效）

NSS可以选择是硬件模式还是软件模式，硬件模式就是一个固定的引脚作为NSS，直接与外界从设备的GPIO口相连，软件自选管脚

NSS模式的选择是由SPI_CR1寄存器中的ssm位和SPI_CR2寄存器中的SSOE位控制的。

区分一下NSS和CS

虽然大概上说这两者差不多（或者可以直接看做相同） 但还是有些微妙的差别。
NSS指的是芯片硬件上的那个真实存在的片选管脚,而CS虽然也起到片选从机的作用 但是它主要是强调主从之间实际连接的那个片选线，用软件手动控制。

具体的通信过程

  1. 主机首先拉低对应从机的NSS信号线，表示与该设备进行通信。
  2. 然后主机发送SCLK时钟信号，通知从机读/写数据。（SCLK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，见【spi四种工作模式】）
  3. 主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
  4. 从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。

Warning

SPI没有严格意义上的读写操作 只有发送和接收 而且无论是对主还是从设备 发送和接收都是一起进行的。
以主设备为例 主设备移位寄存器一位位把数据传到MOSI信号线上同时 MISO信号线上的数据也被一位位移进数据移位寄存器 然后再传给缓冲区这样
所以无论是主还是从设备 发送（接收）一个字节必须同时接收（发送）一个字节
如果是要主设备只输出 就得忽略掉从设备发送的字节。同理主设备只接收 从设备就得忽略掉主设备发送的字节

（不过这个知道就好 hal库函数已经配备好了 如果不是自己写软件SPI的话其实不用考虑）

四种工作模式

SPI的工作模式由CPOL（时钟极性）和CPHA（相位）控制。
CPOL=0：低电平空闲高电平读取 =1：高电平空闲
CPHA=0：第一个沿采样 =1：第二个沿采样

模式CPOLCPHA说明
000高电平的上升沿读取
101高电平的下降沿读取
210低电平的下降沿读取
311低电平的上升沿读取

这四种工作模式的选择不是自己喜欢哪个选哪个 而是要根据从设备的数据帧规格设定。

STM32 SPI硬件架构

几个相关的寄存器：

  • 控制寄存器：SPI_CR1 和SPI_CR2。控制整个SPI模块的工作状态
    • SPI_CR1：
      • CPHA：时钟相位，0：第一个边沿采样 1：第二个边沿
      • CPOL：时钟极性（0: 空闲时为低电平；1: 空闲时为高电平）
      • MSTR：主从选择（1：主机）
      • BR[2:0]：波特率设置，控制 SCK 的分频
      • SPE：使能SPI
      • SSM：软件NSS管理。SSM=1，软件NSS。此时是否选中从机由下面的SSI位决定^^
      • SSI:在SSM=1时有效。SSI=1，相当于软件拉高MSS，如果设置为0相当于拉低NSS（开始通信）
      • LSBFIRST：是否小端传输
      • SSI/SSM：软件控制 NSS（用于不连接外部 NSS）
      • RXONLY：接收模式（1 = 仅接收 也就是半双工，只有MISO能使用）（0：全双工
      • DFF：数据帧格式（0: 8bit，1: 16bit）
      • CRCEN：CRC 校验使能
      • BIDIMODE ：=0：全双工；=1：单线模式，只能使用MOSI来进行双向传输
      • BIDIOE：仅在BIDIMODE=1时有效。=1：单线处于主机发送模式；=0：单线处于从机接收模式
    • SPI_CR2：
      • TXEIE ：开启后当TXE=1（发送缓冲区为空）时触发中断 让cpu发数据
      • RXNEIE：开启后当RXNE=1（接收缓冲区费控）时触发中断 让cpu读数据
      • ERRIE： 错误中断使能
      • SSOE：硬件 NSS 输出使能（主机自动控制 NSS）
      • TXDMAEN / RXDMAEN：发送/接收 DMA 使能
  • 状态寄存器SPI_SR
    • RXNE：接收缓冲区非空（表示可以读取）（rx no empty）
    • TXE：发送缓冲区空（表示可以写入）
    • BSY：忙标志位（1 = 正在通信）
    • OVR：溢出错误（接收缓冲未读取就新数据来了
    • MODF： 模式错误（如主从冲突）
    • CRCERR：CRC错误
  • 数据移位寄存器/串并转换器shift register：把数据一位位的移入/移出 实现数据串行和并行之间的转换
  • tx buffer：发送缓冲区，由 CPU 或 DMA 写入数据。
  • rx buffer：接收缓冲区，接收到的数据存放在这里，等待 CPU 或 DMA 读取。
  • Baud Rate Generator（波特率发生器）： 控制 SCK（串行时钟）的频率，由 CR1 寄存器中的 BR[2:0] 决定，通过分频选择 SPI 的时钟速度。
  • Master Control Logic（主控逻辑）,由 CR1 中的 MSTR、SPE 控制。MSTR：选择主/从设备（1 = 主机，0 = 从机）。SPE：SPI 使能。

再解释一下软件NSS

硬件NSS下内部是直接根据NSS引脚上的电平来进行状态判断的。
软件NSS下因为不知道你选的是哪个GPIO口 所以不能直接去读对应引脚的电平了 内部就只能通过SPICR1寄存器里的ssi位来模拟NSS线上的电平变化。这部分是要你自己写的。

硬件SPI和软件模拟SPI

硬件

硬件spi就是打开cubemx上的spi配置，自带CRC校验（可选）和DMA（可选）。

  1. 先使能spi

模式这里选择的是全双工 右边自动亮起三个固定引脚对应SCK MISO MOSI，NSS默认不显示（即使用软件NSS）

2.


如果打开硬件NSS（可以选择NSS是输入还是输出 主设备的话就是NSS输出 从设备的话就是NSS输入，无论输出还是输入NSS都是用那一个引脚）。
如果坚持使用软件NSS，就在右边随便选一个引脚设置为GPIO_OUTPUT.

3.参数设置（参数设置我瞎选的 不用跟着我来 要跟着从机）

  • frame format帧格式。可以选择motoroia和TI两种。
    • 选TI会变成这样


      摩托罗拉比TI多一个时钟极性和相位的选择还有first bit。
      一般默认使用摩托罗拉。（TI模式蛮麻烦的我没仔细看 但是应用上其实会简单点 因为少了挺多配置）
  • data size：SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输多少个单位无限制。
  • first bit：选择字节序。MSB或者LSB都可以 跟着从设备选
    MSB和LSB
  • prescaler：通过配置它使波特率适配从机
  • baud rate ：线上的波特率 是根据你的时钟配置 和 prescaler的选择 自动计算得到 跟着从机走
  • CPOL：时钟极性 设置0或1
  • CPHA：相位。
  • CRC calculation：crc校验是否开启
    - 开启它后会出现一个CRC Polynomial 默认即可
    CRC校验
  • nss signal typedef：自动跟着之前的配置

具体使用见:
硬件SPI的HAL库函数调用

软件模拟

就是自己在keil5里写代码 选4个引脚分别代表SCK MOSI MISO NSS，写对应的发送/接收/时钟拉高/拉低/数据读取等等操作。
软件比起硬件SPI大概只有一个自选引脚的优点 其他全是缺点（特别是时序上需要非常精确）so不建议用。
而且软件SPI没法用DMA，数据一多读起来很占用CPU。

SPI使用过程中的一些注意

  • 主从设备的MOSI和MOSI是对应相连 而不是交叉相连（be like MOSI——MISO）

  • 主机在SPI初始化后必须先拉低从机的NSS再发送（因为SPI一enable马上就会输出时钟脉冲……）否则很容易会丢数据，发送完成后需要等待BSY标志位为0才能把NSS拉高

  • 硬件NSS的话hal库函数里是能实现第二条的 但是没有BSY==0后再升高NSS的逻辑 so如果是一些时序严格的设备就不要用硬件NSS了……自己写吧

  • 软件NSS不仅自己拉高/拉低NSS要自己写 SPI_CR1寄存器中SSI位的1or0判断也要自己写

参考：
【STM32 HAL库SPI/QSPI协议学习，基于外部Flash读取】_stm32 hal qspi-CSDN博客
SPI中NSS/CS使用和SPI常见问题_spi cs-CSDN博客
【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程十四---SPI-CSDN博客
STM32F405/415, STM32F407/417, STM32F427/437 and STM32F429/439 advanced Arm®-based 32-bit MCUs - Reference manual

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