引言

SPI是串行外設接口的縮寫，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。由于SPI高速和同步的特性，使其成為嵌入式系統(tǒng)和小型設備中使用最廣泛的幾種通信接口之一。本文將詳細講解一下SPI，并且最后基于STM32編寫一個例程。

介紹

SPI簡介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一種串行外設接口，用于在微控制器（MCU）或數(shù)字信號處理器（DSP）等主設備與外部設備之間進行通信。SPI的設計旨在實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和簡單的硬件實現(xiàn)。

SPI接口通常由一個主設備（Master）和一個或多個從設備（Slave）組成。主設備控制通信的時序和數(shù)據(jù)傳輸，而從設備根據(jù)主設備的指令進行響應。SPI通信基于全雙工傳輸方式，主設備和從設備可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

物理層

SPI通信中的數(shù)據(jù)傳輸通過四根線實現(xiàn)：

• SCLK（Serial Clock）：時鐘線，由主設備產(chǎn)生，并控制數(shù)據(jù)的傳輸速度。不同的設備支持的最

  高時鐘頻率不同，兩個設備之間通訊時，通訊速率受限于低速設備。

• MOSI（Master Output Slave Input）：主設備輸出線，負責將數(shù)據(jù)從主設備發(fā)送到從設備。主機的數(shù)據(jù)從這條信號線輸出，從機由這條信號線讀入主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，即這條線上數(shù)據(jù)的方向為主機到從機。

• MISO（Master Input Slave Output）：主設備輸入線，負責將數(shù)據(jù)從從設備發(fā)送到主設備。

• SS（Slave Select）：從設備選擇線，用于選擇特定的從設備與主設備進行通信。當有多個從設備時，上面的三條線是共同使用的，而 NSS 則是用來區(qū)分多個不同的設備，當主機需要選擇某個從設備時，使用 NSS 信號線來尋址，把該從設備的 NSS 信號線設置為低電平，則該從設備被選擇，片選有效，然后主機與被選擇的從設備開始通訊。

• 

SPI通信中的數(shù)據(jù)傳輸是基于幀（Frame）的概念，每個幀由一個傳輸字節(jié)（Byte）組成。主設備通過時鐘線控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序，并通過主輸出線（MOSI）發(fā)送數(shù)據(jù)，從設備則通過主輸入線（MISO）將數(shù)據(jù)發(fā)送回主設備。

協(xié)議層

通訊的起始和停止信號

當 NSS 信號線由高變低，是 SPI 通訊的起始信號。NSS 是每個從機各自獨占的信號線，當從機從自己的 NSS 線檢測到起始信號后，就知道自己被主機選中了 ，準備與主機通訊。NSS 由低變高，是 SPI 通訊的停止信號，表示本次通訊結束，從機的選中狀態(tài)被取消。

SPI 模式

SPI通信中存在四種常見的模式，用于描述主設備和從設備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序和極性。他們的主要區(qū)別是總線空閑時 SCK 的時鐘狀態(tài)以及數(shù)據(jù)采樣時刻。這是通過 SPI_CR 寄存器的 CPOL 和 CPHA 位來控制。這些模式由兩個參數(shù)定義：時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）。

時鐘極性 CPOL 是指 SPI 通訊設備處于空閑狀態(tài)時，SCK 信號線的電平信號（即 SPI 通訊開始前、NSS 線為高電平時 SCK 的狀態(tài)）。CPOL=0 時，SCK 在空閑狀態(tài)時為低電平，CPOL=1 時，則相反。

時鐘相位 CPHA 是指數(shù)據(jù)的采樣的時刻，當 CPHA=0 時，MOSI 或 MISO 數(shù)據(jù)線上的信號將會在 SCK 時鐘線的“奇數(shù)邊沿（串行同步時鐘的第一個跳變沿）”被采樣。當 CPHA=1 時，數(shù)據(jù)線在 SCK 的“偶數(shù)邊沿（串行時鐘的第二個跳變沿）”。

• 模式0（CPOL = 0，CPHA = 0）：

  時鐘極性（CPOL）為低電平。

  時鐘相位（CPHA）為下降沿采樣。

  數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿進行采樣，數(shù)據(jù)的變化在時鐘的上升沿進行傳輸。

  數(shù)據(jù)在時鐘的空閑狀態(tài)為低電平。

• 模式1（CPOL = 0，CPHA = 1）：

  時鐘極性（CPOL）為低電平。

  時鐘相位（CPHA）為上升沿采樣。

  數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿進行采樣，數(shù)據(jù)的變化在時鐘的下降沿進行傳輸。

  數(shù)據(jù)在時鐘的空閑狀態(tài)為低電平。

• 模式2（CPOL = 1，CPHA = 0）：

  時鐘極性（CPOL）為高電平。

  時鐘相位（CPHA）為下降沿采樣。

  數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿進行采樣，數(shù)據(jù)的變化在時鐘的上升沿進行傳輸。

  數(shù)據(jù)在時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。

• 模式3（CPOL = 1，CPHA = 1）：

  時鐘極性（CPOL）為高電平。

  時鐘相位（CPHA）為上升沿采樣。

  數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿進行采樣，數(shù)據(jù)的變化在時鐘的下降沿進行傳輸。

  數(shù)據(jù)在時鐘的空閑狀態(tài)為高電平。

這四種模式的選擇取決于主設備和從設備之間的時鐘和數(shù)據(jù)采樣方式。具體選擇哪種模式取決于所使用的設備和應用的要求，以確保正確的數(shù)據(jù)傳輸和通信。

優(yōu)缺點

優(yōu)點

SPI接口具有以下幾個優(yōu)點：

• 高速數(shù)據(jù)傳輸：SPI接口通常能夠提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，特別適用于對速度要求較高的應用。由于SPI使用全雙工通信方式，數(shù)據(jù)可以同時在主設備和從設備之間傳輸，實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)交換速度。
• 簡單硬件實現(xiàn)：SPI接口的硬件實現(xiàn)相對簡單，通常只需要少量的引腳和簡單的電路即可。SPI接口沒有復雜的協(xié)議和通信控制器，因此在嵌入式系統(tǒng)和小型設備中使用SPI接口可以減少成本和復雜性。
• 靈活性：SPI接口支持點對點和多點通信。主設備可以連接多個從設備，每個從設備都有一個獨立的片選信號（Slave Select），可以根據(jù)需要選擇與主設備進行通信的從設備。這種靈活性使得SPI接口適用于連接多個外部設備或模塊的應用場景。
• 可靠性：SPI接口通常在短距離內進行通信，信號傳輸?shù)木嚯x相對較短，因此具有較低的傳輸誤差和干擾風險。此外，SPI接口通常使用全雙工通信，主設備和從設備可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而提高了通信的可靠性。
• 應用廣泛：SPI接口在各種領域都得到廣泛應用。它常用于連接各種外部設備，如傳感器、存儲器（如閃存和EEPROM）、顯示器、數(shù)字轉換器（ADC和DAC）等。由于其高速性和靈活性，SPI接口在通信和數(shù)據(jù)傳輸方面提供了一種有效的解決方案。

缺點

盡管SPI接口具有許多優(yōu)點，但也存在一些缺點需要考慮：

• 引腳占用：SPI通信通常需要使用多個引腳，包括時鐘線、數(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)輸出線和片選信號線。這可能對系統(tǒng)設計帶來一定的復雜性，并且在引腳資源有限的情況下可能會造成問題。
• 距離限制：由于SPI通信通常是基于并行電平傳輸，其傳輸距離受到電信號衰減和干擾的限制。通信距離相對較短，一般在幾米以內。對于需要較長距離傳輸?shù)膽茫琒PI可能不是最佳選擇。
• 缺乏標準化：SPI接口本身沒有嚴格的標準化規(guī)范，導致不同設備和廠商可能會有不同的實現(xiàn)方式和特定的通信協(xié)議。這可能會導致兼容性問題，需要針對不同設備進行適配和定制。
• 無差錯校驗：SPI協(xié)議本身沒有提供內置的差錯檢測和校驗機制。這意味著在數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果發(fā)生傳輸錯誤，接收方無法直接檢測到或糾正錯誤。對于對數(shù)據(jù)完整性要求較高的應用，需要額外的機制來確保數(shù)據(jù)的可靠性。
• 僅適用于點對點或簡單拓撲：SPI接口通常適用于點對點或簡單的拓撲結構，其中一個主設備控制一個或多個從設備。對于復雜的網(wǎng)絡結構或大規(guī)模系統(tǒng)，SPI的連接和管理可能變得復雜，并且不容易擴展和維護。

使用例程

基于STM32的SPI通信

開發(fā)環(huán)境

安裝包在后臺回復對應名稱即可免費獲得

1. STM32CubeMX
2. Keil 5

硬件連接

軟件實現(xiàn)

1. 首先是使能引腳，選擇 SPI1 的雙全工模式。選擇 PD3 作為片選腳，也就是 NSS 信號線，產(chǎn)生起始和停止信號。

   

   

2. 將 PD3 初始化為推挽輸出。可以看到 3 個 SPI 引腳都是使用 GPIO 的復用模式。

3. SPI參數(shù)配置

   

4. 生成的程序里，主要的配置信息如下。

void MX_SPI1_Init(void)
{
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;//主機模式
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;//全雙工
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;//數(shù)據(jù)位為八位
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;//CPOL=0
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;//CPHA為數(shù)據(jù)線的奇變化沿
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;//軟件控制NSS
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4;//4分頻，84MHz/4=21MHz
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;//最高位先發(fā)送
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;//TIMODE模式關閉
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//CRC關閉
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;//默認值，無效
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)////初始化
  {
    Error_Handler();
  }
}

總結

在現(xiàn)如今數(shù)據(jù)量劇增的時代，SPI這種通信速度快的通信接口以后一定會使用更加頻繁，所以還是要加以學習。