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[技术问答] 对比ST和新塘SPI外设，记录一场畅快的SPI开发新体验！

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 楼主| 呐咯密密 发表于 2021-8-3 10:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
#申请原创# @21小跑堂
废话开篇:
帖子题目纯属吐槽，再次被这个逻辑分析仪拉进坑里，本来无比畅快的SPI体验，就因为这个玩意我把标题都改了，原来准备用该标题的，这里用作副标题不过分吧：
如果不是这个逻辑分析仪，这将是一场畅快的SPI新体验。
先看一下ST和新塘的SPI外设对比
此次对比的均为M0内核主频48M，此处不考虑超频。MCU为ST的STM32F031,新塘的是M031。
STM32F031:
133346107b1ced2cc8.png
新塘M031:
787846107b1ee7f6b2.png
通过对比可以看出，新塘的M031可以理解为在STM32F031基础上进行升级改造，总线时钟新塘M031在主机模式下可以达到24M，此时钟是MCU的PCLK二分频得来。STM32F031最大只支持18M的频率。传输的位长新塘可以在8-32自由配置，STM32F031为4-16位自由配置，可以看得出新塘在高位数传输时更好用，但是低于8位的场合还是ST更好。如果概括起来说，8-32位的广域自由配置还是要更好用。这也是我畅快的原因。
测试这两个芯片的SPI是因为我们的产品在使用SPI通信时发送的数据都是24位，在之前使用STM32F031时只能通过将24位数据拆分为三个8位数据依次发送。此操作容易造成SPI时钟不连续，或者发8位的数据，却产生16和时钟信号，造成数据发送错误或者时间过长。具体解决方案我在GD32E230的SPI帖子里有介绍过，有遇到这个问题的可以跳转查看。GD32E230SPI+DMA
现在转了新塘的平台，8-32位的自由配置位长可就帮了大忙。我的24位数据便可一次性全送出。
代码对比：
在STM32F031中配置SPI为8位字长：
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  1. /************************************************
    

  2. 函数名称 ： SPI_GPIO_Configuration
    

  3. 功    能 ： SPI GPIO初始化
    

  4. 参    数 ： 无
    

  5. 返 回 值 ： 无
    

  6. 作    者 ： Mico
    

  7. *************************************************/
    

  8. void SPI_GPIO_Configuration(void)
    

  9. {
    

  10.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    

  11.         SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;        
    

  12.          
    

  13.           /* 使能AHB时钟 */
    

  14.   RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOB, ENABLE);
    

  15.         RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);
    

  16.                   /* 使能APB2时钟 */
    

  17.   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
    


  18. 

  19.   /*定义 SPI复用引脚 */
    

  20.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PIN_SPI_SCK | PIN_SPI_MISO | PIN_SPI_MOSI;
    

  21.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;                       //复用模式
    

  22.   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;                  //高速输出
    

  23.   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;                     //推完输出
    

  24.   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;                       //上拉
    

  25.   GPIO_Init(PORT_SPI_SCK, &GPIO_InitStructure);
    

  26.         
    

  27.   GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource3, GPIO_AF_0);
    

  28.   GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource4, GPIO_AF_0);
    

  29.   GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_0);
    

  30.         
    

  31.   /* 片选CS */
    

  32.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PIN_SPI_CS;
    

  33.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;                      //输出模式
    

  34.         GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;                     //推完输出
    

  35.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;                  //高速输出
    

  36.         GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;                       //上拉
    

  37.   GPIO_Init(PORT_SPI_CS, &GPIO_InitStructure);
    

  38.         GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5);//拉低片选
    

  39.   /* SPI 初始化定义 */
    

  40.   SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //SPI设置为双线双向全双工
    

  41.   SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;                      //设置为主 SPI
    

  42.   SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;                  //SPI发送接收 8 位帧结构
    

  43.   SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;                        //时钟悬空低
    

  44.   SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;                       //数据捕获于第二个时钟沿
    

  45.   SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;                          //软件控制 NSS 信号
    

  46.   SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8; //波特率预分频值为8
    

  47.   SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;                 //数据传输从 MSB 位开始
    

  48.   SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 8;                           //定义了用于 CRC值计算的多项式
    

  49.   SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
    


  50. 

  51.   SPI_RxFIFOThresholdConfig(SPI1, SPI_RxFIFOThreshold_QF);           //区别于STM32F103
    

  52.   SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); 
    

  53. }
因为SPI是收发一体，所以在需要发送24位数据时SPI使用该函数进行三次收发，代码显得十分臃肿。
复制
  1. /************************************************
    

  2. 函数名称 ： SPI_WriteReadByte
    

  3. 功    能 ： 对SPI写读字节数据
    

  4. 参    数 ： 无
    

  5. 返 回 值 ： 32位角度值
    

  6. 作    者 ： Mico
    

  7. *************************************************/
    

  8. /***************************************************
    

  9. DR寄存器是16位的,如果你直接SPI1->DR = 0x9F ; 
    

  10. 这样的操作是不正确的,你的数据会变成0x009F之后赋值给DR寄存器,
    

  11. 也就是操作了16位,所以STM32会输出16个时钟脉冲
    


  12. 

  13. 我们先找到DR寄存器的地址,再用一个八位的指针指向这个地址,
    

  14. 现在指向的是DR寄存器的开头,那么指针+1,指针指向了DR寄存器的低八位
    

  15. 这时候给指针指向的地址赋值0x85,那么这个字节就会放入DR低八位的空间内,
    

  16. 而不是操作整个16位DR寄存器
    

  17. ***************************************************/
    

  18. uint32_t SPI_WriteRead(void)
    

  19. {
    

  20.                 uint16_t num1,num2,num3;
    


  21. 

  22.                 uint32_t AngelData;
    

  23.                 GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_15);//拉低片选
    


  24. 

  25.                 *((uint8_t*)&(SPI1->DR) + 1 ) = 0x50;
    

  26.                 num1 = SPI1->DR;        
    

  27.                 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);        
    

  28.                 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_BSY) == RESET);        
    

  29.         
    

  30.                 *((uint8_t*)&(SPI1->DR) + 1 ) = 0x35;
    

  31.                 num2 = SPI1->DR;
    

  32.                 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    

  33.                 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_BSY) == RESET);
    

  34.         
    

  35.                 *((uint8_t*)&(SPI1->DR) + 1 ) = 0x0F;
    

  36.                 num3 = SPI1->DR;
    

  37.                 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    

  38.                 while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_BSY) == RESET);
    

  39.                 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_15);//拉高片选
    

  40.                 AngelData = ((num2&0xFF)<<16 |(num3&0xFF)<<8 | (num1&0xFF));
    


  41. 

  42.                 return AngelData ;
    

  43. }
新塘M031 SPI代码：
因为新塘时钟的初始化是写在一个函数中的，我沿用了这个习惯，初始化系统以及各个外设时钟，这个必不可少。
复制
  1. void SYS_Init(void)
    

  2. {
    


  3. 

  4.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    

  5.     /* Init System Clock                                                                                       */
    

  6.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    

  7.     /* Unlock protected registers */
    

  8.     SYS_UnlockReg();
    


  9. 

  10.     /* Enable HIRC clock (Internal RC 48MHz) */
    

  11.     CLK_EnableXtalRC(CLK_PWRCTL_HIRCEN_Msk);
    


  12. 

  13.     /* Wait for HIRC clock ready */
    

  14.     CLK_WaitClockReady(CLK_STATUS_HIRCSTB_Msk);
    


  15. 

  16.     /* Select HCLK clock source as HIRC and HCLK source divider as 1 */
    

  17.     CLK_SetHCLK(CLK_CLKSEL0_HCLKSEL_HIRC, CLK_CLKDIV0_HCLK(1));
    


  18. 

  19.     /* Set both PCLK0 and PCLK1 as HCLK */
    

  20.     CLK->PCLKDIV = CLK_PCLKDIV_APB0DIV_DIV1 | CLK_PCLKDIV_APB1DIV_DIV1;
    


  21. 

  22.     /* Select IP clock source */
    

  23.     /* Select UART0 clock source is HIRC */
    

  24.     CLK_SetModuleClock(UART0_MODULE, CLK_CLKSEL1_UART0SEL_HIRC, CLK_CLKDIV0_UART0(1));
    

  25.     /* Select UART1 clock source is HIRC */
    

  26.     CLK_SetModuleClock(UART1_MODULE, CLK_CLKSEL1_UART1SEL_HIRC, CLK_CLKDIV0_UART1(1));
    

  27.     /* Select PCLK1 as the clock source of SPI0 */
    

  28.     CLK_SetModuleClock(SPI0_MODULE, CLK_CLKSEL2_SPI0SEL_PCLK1, MODULE_NoMsk);
    

  29.         
    

  30.     /* Enable UART0 peripheral clock */
    

  31.     CLK_EnableModuleClock(UART0_MODULE);
    

  32.     /* Enable UART1 peripheral clock */
    

  33.     CLK_EnableModuleClock(UART1_MODULE);
    

  34.     /* Enable PDMA module clock */
    

  35.     CLK_EnableModuleClock(PDMA_MODULE);
    

  36.     /* Enable SPI0 peripheral clock */
    

  37.     CLK_EnableModuleClock(SPI0_MODULE);
    

  38.         
    

  39.     /* Update System Core Clock */
    

  40.     /* User can use SystemCoreClockUpdate() to calculate PllClock, SystemCoreClock and CycylesPerUs automatically. */
    

  41.     SystemCoreClockUpdate();
    


  42. 

  43.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    

  44.     /* Init I/O Multi-function                                                                                 */
    

  45.     /*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
    


  46. 

  47.     /* Set PB multi-function pins for UART0 RXD=PB.12 and TXD=PB.13 */
    

  48.     SYS->GPB_MFPH = (SYS->GPB_MFPH & ~(SYS_GPB_MFPH_PB12MFP_Msk | SYS_GPB_MFPH_PB13MFP_Msk))    |       \
    

  49.                     (SYS_GPB_MFPH_PB12MFP_UART0_RXD | SYS_GPB_MFPH_PB13MFP_UART0_TXD);
    


  50. 

  51.     /* Set PB multi-function pins for UART1 RXD(PB.2) and TXD(PB.3) */
    

  52.     SYS->GPB_MFPL = (SYS->GPB_MFPL & ~(SYS_GPB_MFPL_PB2MFP_Msk | SYS_GPB_MFPL_PB3MFP_Msk))    |       \
    

  53.                     (SYS_GPB_MFPL_PB2MFP_UART1_RXD | SYS_GPB_MFPL_PB3MFP_UART1_TXD);
    


  54. 

  55.     /* Setup SPI0 multi-function pins */
    

  56.     /* PA.3 is SPI0_SS,   PA.2 is SPI0_CLK,
    

  57.        PA.1 is SPI0_MISO, PA.0 is SPI0_MOSI*/
    

  58.     SYS->GPA_MFPL = (SYS->GPA_MFPL & ~(SYS_GPA_MFPL_PA3MFP_Msk |
    

  59.                                        SYS_GPA_MFPL_PA2MFP_Msk |
    

  60.                                        SYS_GPA_MFPL_PA1MFP_Msk |
    

  61.                                        SYS_GPA_MFPL_PA0MFP_Msk)) |
    

  62.                     (SYS_GPA_MFPL_PA3MFP_SPI0_SS |
    

  63.                      SYS_GPA_MFPL_PA2MFP_SPI0_CLK |
    

  64.                      SYS_GPA_MFPL_PA1MFP_SPI0_MISO |
    

  65.                      SYS_GPA_MFPL_PA0MFP_SPI0_MOSI);
    

  66.                                          
    

  67.     /* Lock protected registers */
    

  68.     SYS_LockReg();
    

  69. }
超级简洁的SPI初始化：
复制
  1. void SPI_Init(void)
    

  2. {
    


  3. 

  4.     SPI_Open(SPI0, SPI_MASTER, SPI_MODE_1, 24, 8000000);
    

  5.         SPI_EnableAutoSS(SPI0, SPI_SS, SPI_SS_ACTIVE_LOW);
    

  6. }
此处将SPI0设置为主模式，24位字长和8M的速度。
在主函数中测试：
复制
  1.     while(1)
    

  2.         {
    

  3.                 SPI_SET_DATA_WIDTH(SPI0,24);
    

  4.         
    

  5.                 /* Write to TX register */
    

  6.                 SPI_WRITE_TX(SPI0, 0x50650F);
    

  7.                 /* Check SPI0 busy status */
    

  8.                 while(SPI_IS_BUSY(SPI0));
    

  9.                 SPI_SET_DATA_WIDTH(SPI0,32);
    

  10.                                 /* Write to TX register */
    

  11.                 SPI_WRITE_TX(SPI0, 0x50650F55);
    

  12.                 /* Check SPI0 busy status */
    

  13.                 while(SPI_IS_BUSY(SPI0));
    

  14.         }
首先将发送的字长设定为24位，然后输出，完成后将输出字长改为32，再次输出。在这里我遇到了麻烦事，输出的数据根本对不上，在使用逻辑分析仪查看数据如下：
48166107b9175784c.png
无论是数据还是时钟均对不上，然后将时钟降低到2M，输出如下：
285346107b9587990c.png
可以很明显的看到数据完全正确，时钟连续性很好，我怀疑是SPI的时钟线配置有问题，可能是主频分频过来的的时钟太低，达不到8M，但是在时钟配置中检查不到任何问题，于是在这里转圈圈，折腾了好久，后来想到去年在调试STM32F031的SPI时也遇到莫名其妙的问题，当时发现是逻辑分析仪的最大速度只有2M，高于2M显示就不准确。
果然，在2M和8M的频率下接上示波器，观察两个波形其实是相同的
2M
7309661089c0296610.png
8M
8907861089c1aa7401.png
问题分析：逻辑分析仪只能抓取分析波形好的逻辑，在高速情况下，加上逻辑分析仪的线较长，可能导致波形变差，导致逻辑分析仪无法抓取全部波形。另外一个就是速度太快，逻辑分析仪的响应速度达不到那么高。
同一个坑，踩了两次，真的有够烦人的，以后一定要记住逻辑分析仪遇到问题考虑一下示波器？


关于SPI的DMA
无论是STM32还是新塘，在仅仅操作SPI的时候可以在MCU允许的情况下进行自由字节数的收发，但是我们很多时候都需要使用DMA来搬运数据，以此减小CPU的工作量。这里我们看一下DMA的描述：
6289461089e31316d6.png
DMA的单次传输字节数并不是很自由，只有8位，16位和32位三种模式。比如我发送24位数据，DMA数据宽度得设置为32位，即使我的SPI定义为24位的宽度，实际DMA还是会产生32个时钟信号，最高位会填充0。所以当使用DMA通信时，还是得将SPI设置为8位宽度，DMA设置为8位，将24位数据分为3个8位送出。
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打赏榜单

21小跑堂 打赏了 150.00 元 2021-08-03
理由：恭喜通过原创审核！请多多加油哦！
单片小菜 发表于 2021-8-3 12:15 | 显示全部楼层
逻辑分析仪究竟怎么用呢？一直没有搞懂的事情，需要专家帮忙看一下的。
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 楼主| 呐咯密密 发表于 2021-8-3 13:35 | 显示全部楼层
单片小菜 发表于 2021-8-3 12:15
逻辑分析仪究竟怎么用呢？一直没有搞懂的事情，需要专家帮忙看一下的。
...

可以查看数据啊，一般的示波器都不带的，只能自己掐波形去数，太难。低速的场合还是很好用的，而且便宜，我这就是太便宜了，被自己坑了
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dirtwillfly 发表于 2021-8-4 08:25 | 显示全部楼层
呐咯密密 发表于 2021-8-3 13:35
可以查看数据啊，一般的示波器都不带的，只能自己掐波形去数，太难。低速的场合还是很好用的，而且便宜， ...

换个高端的逻辑分析仪就好了
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徐YH 发表于 2021-8-9 13:27 | 显示全部楼层
是吧
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徐YH 发表于 2021-8-9 13:28 | 显示全部楼层
换一个逻辑分析仪
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两只袜子 发表于 2021-8-9 13:52 来自手机 | 显示全部楼层
换个逻辑分析仪把
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两只袜子 发表于 2021-8-9 13:52 来自手机 | 显示全部楼层
换个逻辑分析仪把
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datouyuan 发表于 2021-8-10 11:56 | 显示全部楼层
我用的逻辑分析仪20多元的，感觉很好用。就是有点挑电脑，新买的笔记本只有4M，而10几年的老电脑却是全速24M。
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kkzz 发表于 2021-8-11 17:57 | 显示全部楼层
这个硬件spi吗   
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claretttt 发表于 2021-8-11 17:57 | 显示全部楼层
买的那家的逻辑分析仪器？
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jonas222 发表于 2021-8-11 17:57 | 显示全部楼层
新塘SPI最大速度是多少  
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macpherson 发表于 2021-8-11 17:58 | 显示全部楼层
一起觉得mcu自带的spi就是坑  
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geraldbetty 发表于 2021-8-11 17:58 | 显示全部楼层
这个是触发的有延时吗  
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mollylawrence 发表于 2021-8-11 17:58 | 显示全部楼层
M031怎么样   
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mattlincoln 发表于 2021-8-11 17:58 | 显示全部楼层
内部集成i2s怎么样？
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maudlu 发表于 2021-8-11 17:59 | 显示全部楼层
可以到18Mbit的速度吗？  
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earlmax 发表于 2021-8-11 17:59 | 显示全部楼层
模拟spi效果怎么样  
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sesefadou 发表于 2021-8-11 18:00 | 显示全部楼层
哈哈哈，逻辑分析有问题吗   
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alxd 发表于 2021-8-17 08:32 | 显示全部楼层
挺强 讲得很细致，遇到类似问题 又可以有参考了
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认证：苏州澜宭自动化科技嵌入式工程师
简介：本人从事磁编码器研发工作，负责开发2500线增量式磁编码器以及17位、23位绝对值式磁编码器，拥有多年嵌入式开发经验，精通STM32、GD32、N32等多种品牌单片机，熟练使用单片机各种外设。

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