STM32F103 SPI（踩坑日记）

只看该作者 · 2023-1-26 14:16

前言
第1部分针对的spi的基础知识
第2、3部分是使用中遇到的坑和自己的理解。也欢迎大佬对文章中错误内容指出、更正。
可以有选择的阅读。

1.SPI 协议
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线。分别是以下4根

MISO– Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出；
MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；
CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。

只看该作者 · 2023-1-26 14:18

SPI的4种模式
spi的4种模式是通过CPOL和CPHA设置0和1来决定的。排列组合一下一共4种：
CPOL: SPI空闲时的时钟信号电平(1:高电平, 0:低电平)
CPHA: SPI在时钟第几个边沿采样(1:第二个边沿开始, 0:第一个边沿开始)

只看该作者 · 2023-1-26 15:15

请问：哪里容易入坑？？？

只看该作者 · 2023-1-26 15:31

那么在STM32中体现是在这个结构体中(有省略)：

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typedef struct

{

......

  uint16_t SPI_CPOL;                /*!< Specifies the serial clock steady state.

                                        This parameter can be a value of [url=home.php?mod=space&uid=144993]@ref[/url] SPI_Clock_Polarity */

  uint16_t SPI_CPHA;                /*!< Specifies the clock active edge for the bit capture.

......

}SPI_InitTypeDef;

只看该作者 · 2023-1-26 15:32

这边需要根据从站的datasheet来配置，比如下面的时序图：

SCLK默认为高电平，从sck的第二个边沿采集数据位，所以：
CPOL=1;
CPHA=1;

只看该作者 · 2023-1-26 15:43

STM32F103 硬件SPI
STMf103的SPI->DR寄存器是个16位的，从参考手册上来看F1的芯片支持8位和16位的数据发送，通过SPI->CR1的DFF标志位来决定传输的数据是8位还是16位。这个也是需要参考从站的datasheet来决定的。主模式波特率预分频系数(最大为fPCLK/2) ，所以SPI可以最高分到一个36MHz的频率。关于SPI的发送函数，标准库函数版本和HAL库提供了两种解决办法：

只看该作者 · 2023-1-26 15:45

标准库的发送函数

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/**

  * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url]  Transmits a Data through the SPIx/I2Sx peripheral.

  * @param  SPIx: where x can be

  *   - 1, 2 or 3 in SPI mode 

  *   - 2 or 3 in I2S mode

  * @param  Data : Data to be transmitted.

  * @retval None

  */

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data)

{

  /* Check the parameters */

  assert_param(IS_SPI_ALL_PERIPH(SPIx));

  

  /* Write in the DR register the data to be sent */

  SPIx->DR = Data;

}

只看该作者 · 2023-1-26 15:46

assert_param这个断言可以不管，其实就是把数据写到DR寄存器，什么判断都没有。所以一般我们在使用的时候超时跳出和检测发送是否成功，如下：

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while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET) //检查指定的SPI标志位设置与否:发送缓存空标志位

                {

                retry++;

                if(retry>200)return 0;//重试200次

                }

只看该作者 · 2023-1-26 15:51

但是执行retry++和SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET需要占用CPU时间，这会导致SPI在发送时出现非连续传输详见3.节。

只看该作者 · 2023-1-26 15:52

2.2 HAL库发送函数
HAL库的发送函数比较长，我这边做了删减只看8位的发送的过程。
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
{
.......
   /* Set the transaction information */
hspi->State    = HAL_SPI_STATE_BUSY_TX;
    hspi->ErrorCode = HAL_SPI_ERROR_NONE;
hspi->pTxBuffPtr  = (uint8_t *)pData;
    hspi->TxXferSize  = Size;
    hspi->TxXferCount = Size;
    .......
while (hspi->TxXferCount > 0U)
{
   /* Wait until TXE flag is set to send data */
   if (__HAL_SPI_GET_FLAG(hspi, SPI_FLAG_TXE))
   {
      *((__IO uint8_t *)&hspi->Instance->DR) = (*hspi->pTxBuffPtr);
      hspi->pTxBuffPtr += sizeof(uint8_t);
      hspi->TxXferCount--;
   }
   else
   {
      /* Timeout management */
      if ((((HAL_GetTick() - tickstart) >=  Timeout) && (Timeout != HAL_MAX_DELAY)) || (Timeout == 0U))
      {
      errorcode = HAL_TIMEOUT;
      goto error;
      }
   }
}

}

只看该作者 · 2023-1-26 15:53

核心部分：

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if (__HAL_SPI_GET_FLAG(hspi, SPI_FLAG_TXE))

   *((__IO uint8_t *)&hspi->Instance->DR) = (*hspi->pTxBuffPtr);

只看该作者 · 2023-1-26 16:03

也是检查发送完成标志位和把数据写到DR寄存器中。但是HAL库写的比较好的是支持写数据长度了。一般我们不会只写8位，一般一条指令都有32位或者更长，HAL库的封装我只需要提供一个首地址，把Size设置成对应的长度就可以了。

只看该作者 · 2023-1-26 16:04

这里有个小坑
数据在单片机中存储是按小端格式存储的，但是往往数据发送是按大端格式发送的。
比如想发送01 02 03 04
但是我们很容易存成：

uint32_t data =0x01020304
1
然后把*pData指向data的地址，那么通过SPI发出去的数据会变成 04 03 02 01所以大端小端转换需要软件去做转换。

只看该作者 · 2023-1-26 16:06

SPI的连续传输和非连续传输

前提条件，这里设置的是8位的spi传输，先看下传输32位数据时时序图的区别：

图3.1 SPI非连续传输

图3.2 SPI连续传输
结果是如果是非连续传输的时候，每8位之间sck信号会断开，产生一个1us左右的延时，这个延时大小可能不一样。我这边SPI速度是2.25MHz，那么我使用连续传输32位数据会快20%。翻阅《STM32中文参考手册》
当在主模式下发送数据时，如果软件足够快，能够在检测到每次TXE的上升沿(或TXE中断)，并立即在正在进行的传输结束之前写入SPI_DR寄存器，则能够实现连续的通信；此时，在每个数据项的传输之间的SPI时钟保持连续，同时BSY位不会被清除。如果软件不够快，则会导致不连续的通信；这时，在每个数据传输之间会被清除

从这段描述来说，只要你数据写的够快，他就可以连续传输。这显然是不靠谱的，SPI速度越快软件写入的速度会跟不上。那么怎么充分发挥ST硬件SPI的性能呢？开启DMA模式。

只看该作者 · 2023-1-26 16:11

SPI+DMA传输的坑
根据自己SPI通道选择DMA配置，使用STM32Cube进行配置
这是我写的一个发送函数，但是抓波形的时候发现发送的数据不对，但是不使用DMA发送就正常了。后来研究了很久才发现问题。

只看该作者 · 2023-1-26 16:14

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int sgm5349_RegWrite(sgm5349Device_t *device, uint8_t channel, uint16_t data, uint8_t update){

    HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;

    uint32_t regVal = 0;   

    /* Input Validation Check */

    if(device == NULL)    return -1;

    if(isChannelValid(channel) != 0)    return -1;

    /* 32bit register value generation with command = 0 or 2 or 3*/

    regVal = (channel << 20) | (data << 4);

    if(update == 1)        regVal |= (3 << 24);

    else if(update == 2)   regVal |= (2 << 24);

        regVal = LittleEndian2BigEndian(regVal);

        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_3,0);

        HAL_SPI_Transmit_DMA(device->hspi, (uint8_t *)&regVal, 4);

        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_3,1);

        

    if(status != HAL_OK)    return (int)status;

    return 0;

}

只看该作者 · 2023-1-26 16:21

DMA发送代码如下所示(部分省略)：

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HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size)

{

......

  /* Set the transaction information */

  hspi->State       = HAL_SPI_STATE_BUSY_TX;

  hspi->ErrorCode   = HAL_SPI_ERROR_NONE;

  hspi->pTxBuffPtr  = (uint8_t *)pData;

  hspi->TxXferSize  = Size;

  hspi->TxXferCount = Size;

/* Enable the Tx DMA Stream/Channel */

  if (HAL_OK != HAL_DMA_Start_IT(hspi->hdmatx, (uint32_t)hspi->pTxBuffPtr, (uint32_t)&hspi->Instance->DR,

                                 hspi->TxXferCount))

  {

    /* Update SPI error code */

    SET_BIT(hspi->ErrorCode, HAL_SPI_ERROR_DMA);

    errorcode = HAL_ERROR;



    hspi->State = HAL_SPI_STATE_READY;

    goto error;

  }

 ......

}

只看该作者 · 2023-1-26 16:23

问题出在DMA发送函数中，(uint32_t)hspi->pTxBuffPtr强制转换成了数据的地址。但是我们传入HAL_SPI_Transmit_DMA的可是一个局部变量regVal。当跳出sgm5349_RegWrite函数时局部变量就会释放regVal，那么这个局部变量的地址就没意义了。所以做了个简单测试加了个延时，就能正常发送数据。当然实际并不能这么做，可以通过加给局部变量+static修饰，也可以让程序通过查询发送完成标志位死等来解决这个问题。
最后获得了一个完整的连续的SPI数据发送

STM32F103 SPI（踩坑日记）

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