STM32——SPI外设总线

一、SPI外设简介

  • STM32内部集成了硬件SPI收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、数据收发等功能，减轻CPU的负担【硬件电路自动生成时序】

  • 可配置8位/16位数据帧、高位先行/低位先行

  • 时钟频率： fPCLK / (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256)【SPI1是APB2的外设，PCLK=72MHz；SPI2是APB1的外设，PCLK=36MHz】

  • 支持多主机模型、主或从操作

  • 可精简为半双工/单工通信【使用SPI就是为了发挥全双工的优势】

  • 支持DMA

  • 兼容I2S协议【音频协议，将数字信号转化为模拟信号】

  • STM32F103C8T6 硬件SPI资源：SPI1、SPI2

二、SPI框图

在这里插入图片描述

  • LSBFIRST：设置低位先行还是高位先行
  • stm32的SPI外设也可以设置为从机模式，此时MOSI和MISO的线路就会交叉（如图所示）
  • 接收缓冲器（TDR）和发送缓冲区（RDR）占用同一个地址（DR）
  • 移位寄存器和数据寄存器配合可以实现数据连续传输，要判断状态寄存器的TXE和RXNE
  • SPI在发送的同时也接收数据，这点和半双工不一样，所以会有两个缓冲区，移位寄存器可以共用【在外设电路设计上：USART是全双工异步外设，所以移位寄存器和数据寄存器都不是共用的，I2C是半双工同步外设，所以移位寄存器和数据寄存器是共用的】
  • 发送缓冲区为空时，TXE置1，接收缓冲区非空时，RXNE置1

三、SPI基本结构

在这里插入图片描述

  • SS引脚采用普通的GPIO口模拟即可

四、主模式全双工连续传输

在这里插入图片描述

  • 当数据从发送缓冲区移动到移位寄存器时，就会产生时序
  • 当三个数据都发送完毕时，BSY标志才清空
  • 数据从接收缓冲区读出后要软件置RXNE标志位为0

连续传输的硬件设计比较复杂，需要软件配合

五、非连续传输【常用】

在这里插入图片描述

  • 相比于连续传输，TXE为1（发送缓冲区为空）的时候不急着把数据写入TDR，而是等到一个字节时序结束才将数据放到TDR
  • 第一个字节时序结束也表示了接收完成，此时RXNE标志位为1，将数据读出

交换一个字节的四步编程：

  • 等待TXE为1
  • 写入发送的数据到TDR
  • 等待RXNE为1
  • 读出RDR接收到的数据

缺点：传输频率越高，字节与字节之间的时间间隙会越大，如图所示
在这里插入图片描述

六、软件/硬件波形对比

边沿和电平期间，都可以作为数据变化的时刻
软件波形一般在电平期间，硬件的波形一般会紧贴边沿

七、硬件I2C读写MPU6050

电路设计

在这里插入图片描述

关键代码

MySPI.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header//ss引脚采用软件模拟即可
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);
}void MySPI_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//通用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//由外设控制，设置为复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//完成SPI外设的配置，配置SPI_InitStructure结构体SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;//主机SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//双线全双工SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;//8位数据帧SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;//高位先行SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;//128分频SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;//模式0SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;//模式0SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;//CRC校验SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);//使能外设MySPI_W_SS(1);
}void MySPI_Start(void)
{MySPI_W_SS(0);
}void MySPI_Stop(void)
{MySPI_W_SS(1);
}//基于spi外设交换一个字节的四个步骤：
/*
- 等待TXE为1
- 写入发送的数据到TDR
- 等待RXNE为1
- 读出RDR接收到的数据
*/
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend)
{while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend);//自动生成时序波形，写入操作会自动将TXE清除while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);//读取操作会自动将RXNE清除
}

MySPI.h

#ifndef __MYSPI_H
#define __MYSPI_Hvoid MySPI_Init(void);
void MySPI_Start(void);
void MySPI_Stop(void);
uint8_t MySPI_SwapByte(uint8_t ByteSend);#endif

W25Q64.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MySPI.h"
#include "W25Q64_Ins.h"void W25Q64_Init(void)
{MySPI_Init();//底层spi时序初始化
}//根据指令集写功能函数void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID)
{MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_JEDEC_ID);//不同时序调用得到的返回值是不同的*MID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);*DID = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);*DID <<= 8;*DID |= MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);MySPI_Stop();
}
//写使能
void W25Q64_WriteEnable(void)
{MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_WRITE_ENABLE);MySPI_Stop();
}
//直接读取寄存器的busy位，如果为0则表示不忙，程序返回，否则会阻塞
void W25Q64_WaitBusy(void)
{uint32_t Timeout;MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1);Timeout = 100000;while ((MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE) & 0x01) == 0x01){Timeout --;if (Timeout == 0){break;}}MySPI_Stop();
}
//按页写入
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count)
{uint16_t i;W25Q64_WriteEnable();//写入操作前，必须先进行写使能MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_PAGE_PROGRAM);MySPI_SwapByte(Address >> 16);MySPI_SwapByte(Address >> 8);MySPI_SwapByte(Address);//Count不能定义为uint8_t ，因为最大是255字节，而不是256字节for (i = 0; i < Count; i ++){MySPI_SwapByte(DataArray[i]);}MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();
}
//扇区擦除
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address)
{W25Q64_WriteEnable();//写入操作前，必须先进行写使能MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB);MySPI_SwapByte(Address >> 16);MySPI_SwapByte(Address >> 8);MySPI_SwapByte(Address);MySPI_Stop();W25Q64_WaitBusy();
}
//按页读取
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count)
{uint32_t i;MySPI_Start();MySPI_SwapByte(W25Q64_READ_DATA);MySPI_SwapByte(Address >> 16);MySPI_SwapByte(Address >> 8);MySPI_SwapByte(Address);for (i = 0; i < Count; i ++){DataArray[i] = MySPI_SwapByte(W25Q64_DUMMY_BYTE);//置换有用数据}MySPI_Stop();
}

W25Q64.h

#ifndef __W25Q64_H
#define __W25Q64_Hvoid W25Q64_Init(void);
void W25Q64_ReadID(uint8_t *MID, uint16_t *DID);
void W25Q64_PageProgram(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint16_t Count);
void W25Q64_SectorErase(uint32_t Address);
void W25Q64_ReadData(uint32_t Address, uint8_t *DataArray, uint32_t Count);#endif

W25Q64_Ins.h

#ifndef __W25Q64_INS_H
#define __W25Q64_INS_H#define W25Q64_WRITE_ENABLE							0x06
#define W25Q64_WRITE_DISABLE						0x04
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_1				0x05
#define W25Q64_READ_STATUS_REGISTER_2				0x35
#define W25Q64_WRITE_STATUS_REGISTER				0x01
#define W25Q64_PAGE_PROGRAM							0x02
#define W25Q64_QUAD_PAGE_PROGRAM					0x32
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_64KB						0xD8
#define W25Q64_BLOCK_ERASE_32KB						0x52
#define W25Q64_SECTOR_ERASE_4KB						0x20
#define W25Q64_CHIP_ERASE							0xC7
#define W25Q64_ERASE_SUSPEND						0x75
#define W25Q64_ERASE_RESUME							0x7A
#define W25Q64_POWER_DOWN							0xB9
#define W25Q64_HIGH_PERFORMANCE_MODE				0xA3
#define W25Q64_CONTINUOUS_READ_MODE_RESET			0xFF
#define W25Q64_RELEASE_POWER_DOWN_HPM_DEVICE_ID		0xAB
#define W25Q64_MANUFACTURER_DEVICE_ID				0x90
#define W25Q64_READ_UNIQUE_ID						0x4B
#define W25Q64_JEDEC_ID								0x9F
#define W25Q64_READ_DATA							0x03
#define W25Q64_FAST_READ							0x0B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_OUTPUT				0x3B
#define W25Q64_FAST_READ_DUAL_IO					0xBB
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_OUTPUT				0x6B
#define W25Q64_FAST_READ_QUAD_IO					0xEB
#define W25Q64_OCTAL_WORD_READ_QUAD_IO				0xE3#define W25Q64_DUMMY_BYTE							0xFF#endif

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "W25Q64.h"uint8_t MID;
uint16_t DID;uint8_t ArrayWrite[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t ArrayRead[4];int main(void)
{OLED_Init();W25Q64_Init();OLED_ShowString(1, 1, "MID:   DID:");OLED_ShowString(2, 1, "W:");OLED_ShowString(3, 1, "R:");W25Q64_ReadID(&MID, &DID);OLED_ShowHexNum(1, 5, MID, 2);OLED_ShowHexNum(1, 12, DID, 4);W25Q64_SectorErase(0x000000);W25Q64_PageProgram(0x000000, ArrayWrite, 4);W25Q64_ReadData(0x000000, ArrayRead, 4);OLED_ShowHexNum(2, 3, ArrayWrite[0], 2);OLED_ShowHexNum(2, 6, ArrayWrite[1], 2);OLED_ShowHexNum(2, 9, ArrayWrite[2], 2);OLED_ShowHexNum(2, 12, ArrayWrite[3], 2);OLED_ShowHexNum(3, 3, ArrayRead[0], 2);OLED_ShowHexNum(3, 6, ArrayRead[1], 2);OLED_ShowHexNum(3, 9, ArrayRead[2], 2);OLED_ShowHexNum(3, 12, ArrayRead[3], 2);while (1){}
}

参考视频：江科大自化协

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