STM32纯硬件SPI主/从模式库函数版

1万 · 2021-7-3 11:33

1. STM32 SPI

1.1 STM32的SPI接口

SPI可以设置为主、从两种模式，并且支持全双工模式，而配置为主、从模式或软件、硬件NSS，在操作上有很大的区别。由于一个项目需求，笔者对STM32的硬件模式和主从模式进行了一些研究，走了很多弯路，也查询了很多资料，现在终于调通了，因此写一篇**记录调试心得，以及很多需要注意的地方。

以下是STM32 SPI接口的介绍：

3线全双工同步传输；

8或16位传输帧格式选择；

主或从操作，支持多主模式；

主模式和从模式下均可以由软件或硬件进行NSS管理：主/从操作模式的动态改变；

可编程的时钟极性和相位；

可编程的数据顺序，MSB在前或LSB在前；

可触发中断的专用发送和接收标志；

SPI总线忙状态标志；

支持可靠通信的硬件CRC；

可触发中断的主模式故障、过载以及CRC错误标志；

支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器：产生发送和接受请求。

本文主要探讨主模式和从模式NSS硬件和软件管理。

1万 · 2021-7-3 11:34

2. SPI Master 初始化及测试

2.1 硬件NSS模式

以下是初始化代码

void SPI1_Configuration(void)
{
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

/************打开时钟*************/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE );

/************引脚配置*************/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;  //SPI_NSS
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //SPI_SCK
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_6; //SPI_MISO
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;  //浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;       //SPI_MOSI
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

/************SPI初始化配置*************/
SPI_Cmd(SPI1, DISABLE);    //必须先禁用,才能改变MODE
SPI_InitStructure.SPI_Direction =SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //两线全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode =SPI_Mode_Master; //主
SPI_InitStructure.SPI_DataSize =SPI_DataSize_8b; //8位
SPI_InitStructure.SPI_CPOL =SPI_CPOL_Low; //CPOL=0
SPI_InitStructure.SPI_CPHA =SPI_CPHA_1Edge; //CPHA=0
SPI_InitStructure.SPI_NSS =SPI_NSS_Hard; //硬件NSS
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler =SPI_BaudRatePrescaler_64; //64分频
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit =SPI_FirstBit_MSB; //高位在前
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial =7; //CRC7
SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);

// SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //先不打开SPI
SPI_SSOutputCmd(SPI1, ENABLE);    //SPI的NSS引脚控制开启

}

SPI配置为主模式，采用硬件NSS有几点需要注意，若采用硬件NSS，一定要把NSS引脚输出设置为GPIO_Mode_AF_PP，否则程序无法正确控制。

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

1万 · 2021-7-3 11:34

2.2 软件NSS模式
软件NSS的初始化步骤大同小异，有几个地方不一样，需要注意一下

①NSS引脚修改为GPIO_Mode_Out_PP

/************引脚配置*************/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;  //SPI_NSS
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);

②将NSS配置改为SPI_NSS_Soft，然后打开SPI，屏蔽SPI_SSOutputCmd()这个函数。

/************SPI初始化配置*************/
SPI_Cmd(SPI1, DISABLE);    //必须先禁用,才能改变MODE
SPI_InitStructure.SPI_Direction =SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //两线全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode =SPI_Mode_Master; //主
SPI_InitStructure.SPI_DataSize =SPI_DataSize_8b; //8位
SPI_InitStructure.SPI_CPOL =SPI_CPOL_Low; //CPOL=0
SPI_InitStructure.SPI_CPHA =SPI_CPHA_1Edge; //CPHA=0
SPI_InitStructure.SPI_NSS =SPI_NSS_Soft; //软件NSS
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler =SPI_BaudRatePrescaler_64; //64分频
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit =SPI_FirstBit_MSB; //高位在前
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial =7; //CRC7
SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);

     SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //打开SPI
     //SPI_SSOutputCmd(SPI1, ENABLE);    //SPI的NSS引脚控制开启

1万 · 2021-7-3 11:34

2.3 主函数

2.3.1 硬件NSS模式

硬件NSS模式的操作步骤和软件NSS模式可谓天差地别，首先初始化的时候不需要打开SPI，而且需要单独配置打开NSS引脚，否则NSS引脚会一直输出低电平，无法控制。
其次是操作步骤，硬件NSS模式下，每一次数据读写都需要先打开SPI，操作完成后再关闭SPI，必须要按照这个步骤来，否则NSS引脚一直会是低电平。
这也许就是很多人认为硬件NSS有BUG，无法正确选通，而我也在网上查了很多资料，发现很少有人用硬件NSS。

int main()
{
u8 SPI_TX=10,SPI_RX=0; //
SPI1_Configuration(); //spi初始化
while(1)
{
   SPI_Cmd(SPI1,ENABLE); //启动SPI

/**************向从设备发送一个字节*************/
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
SPI_I2S_SendData(SPI1,SPI_TX);

      /**************保存将接收到的数据*************/
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
SPI_RX = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

SPI_Cmd(SPI1,DISABLE); //关闭SPI

SPI_TX++; //发送的值+1
     delay_100ms(10); //延时1秒
if(SPI_TX>50) {SPI_TX=10;}
}
}

1万 · 2021-7-3 11:35

效果测试

上图是刚刚的代码运行的效果，用逻辑分析仪抓取的SPI波形。
从设备同样是STM32，设置为硬件从模式，采用硬件NSS控制，设置方法后文会讲。
可以看到NSS能正确拉低，主设备能正确收到从设备返回的数据。

从设备设置的是收到什么就会返回什么，由于SPI的特性是在发送的同时接收数据，且从设备不能主动向主设备发送数据，因此在发送新数据的时候才能收到上此次发送的旧数据。

1万 · 2021-7-3 11:35

2.3.2 软件NSS模式

由于代码差不多，就只贴while(1)的函数

while(1)
{
   GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4); //拉低CS
/**************向从设备发送一个字节*************/
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
SPI_I2S_SendData(SPI1,SPI_TX);

      /**************保存将接收到的数据*************/
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
SPI_RX = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4); //拉高CS

SPI_TX++; //发送的值+1
delay_100ms(10); //延时1秒
if(SPI_TX>50)    {SPI_TX=10;}
}

1万 · 2021-7-3 11:35

效果测试

watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L290dG8xMjMw,size_16,color_FFFFFF,t_70.jpg (37.56 KB )

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2021-7-3 11:35 上传

软件NSS模式下，SPI是常开的，读写数据的时候需要人为控制CS引脚
可以看到CS线在最后一个CLK脉冲发送完成后就立即拉高了，和硬件模式有一点区别

如果去掉这两个函数会怎样呢？

while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);

1万 · 2021-7-3 11:36

主函数改为：

while(1)
{
   GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4); //拉低CS
/**************向从设备发送一个字节*************/
SPI_I2S_SendData(SPI1,SPI_TX);

      /**************保存将接收到的数据*************/
SPI_RX = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

delay_us(2); //延时2微秒
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4); //拉高CS

SPI_TX++; //发送的值+1
delay_100ms(10); //延时1秒
if(SPI_TX>50)    {SPI_TX=10;}
}

1万 · 2021-7-3 11:36

效果测试

可以看到，程序似乎没有按照预想顺序进行，延时函数好像没有在SPI_I2S_ReceiveData()结束后才执行。
这也是使用硬件SPI常犯的错误，因为在使用硬件SPI时，外设在进行数据读写的时候是不占用内核时间的，内核把数据丢给外设寄存器就完事了，内核只需要等待外设返回结束标志位，刚才屏蔽掉的两个函数就是在等待外设返回结束标志，而这个等待时间其实也可以做很多事情。
经过测试，内核对外设的操作只用了大概0.4uS。
若不注意这点，可能会出现SPI正在读取芯片数据过程中，芯片的CS线被拉高，芯片可能就停止发送数据了，导致最后读取的数据异常。

以上就是SPI Master模式中的硬件NSS和软件NSS的设置和控制，接下来是SPI Slave模式的设置步骤。

1万 · 2021-7-3 11:37

3. SPI Slave 初始化及测试
3.1 硬件NSS模式
以下是初始化代码

void SPI1_Config_Slave(void)
{
/************打开时钟*************/
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_SPI1 , ENABLE );
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_AFIO , ENABLE );

/************引脚配置*************/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;  //SPI_NSS
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  //上拉输入
// GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //SPI_SCK
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  //上拉输入
// GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_6; //SPI_MISO
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;  //复用开漏输出（多从机）
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;       //SPI_MOSI
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  //上拉输入
// GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

/************SPI初始化配置*************/
SPI_Cmd(SPI1, DISABLE);    //必须先禁能,才能改变MODE
SPI_InitStructure.SPI_Direction =SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //两线全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode =SPI_Mode_Slave; //从机
SPI_InitStructure.SPI_DataSize =SPI_DataSize_16b; //8位
SPI_InitStructure.SPI_CPOL =SPI_CPOL_Low; //CPOL=1时钟悬空高
SPI_InitStructure.SPI_CPHA =SPI_CPHA_1Edge; //CPHA=1 数据捕获第2个
SPI_InitStructure.SPI_NSS =SPI_NSS_Hard; //硬件NSS
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler =SPI_BaudRatePrescaler_32; //32分频（从机没用）
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit =SPI_FirstBit_MSB; //高位在前
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial =7; //CRC7
SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);

SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

1万 · 2021-7-3 11:37

从机硬件NSS初始化和软件NSS初始化大同小异，有几个注意的地方是：

不同于主机，从机很多IO口都要改为输入模式。

然后在SPI_MISO引脚的配置上，笔者这里用的是开漏输出，因为一个主机上挂了很多从机，如果用上拉输出的话可能会造成很多问题，在这条总线上用的是外部电阻上拉。

但是如果是单从机的话，如果主机设置的是浮空输入，那就很有可能导致主机无法收到数据，因此要根据自己的实际使用情况灵活设置