STM32F4的SPI

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SPI协议简介

SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议，即串行外围设备接口。是一种高速全双工的通信总线。

SPI物理层

SPI协议使用3条总线以及片选线。3条总线分别是SCK、MOSI、MISO，片选线为SS(NSS、CS)

SS：从设备选择信号线，常称为片选信号线。还有NSS、CS标记。当多个SPI从设备与SPI主机相连时，其他信号SCK、MOSI、MISO都是并联到相同的SPI总线上的，所有的从设备都在使用这三条总线。但是每一条设备都有一个独立的SS信号线，该信号线独占主机的一个引脚，由多少个从设备，就有多少条片选信号线。当主机要选择从设备时，就将该设备的SS信号线拉低，表示选中该设备。SPI通讯以SS置低为开始信号，拉高作为结束信号

SCK：时钟信号线、

MOSI：主设备输出/从设备输入引脚

MISO：主设备输入/从设备输出引脚

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SPI协议层
SPI基本通讯过程

NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，MISO的信号由从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI和MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。

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通讯的起始和停止信号
NSS信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号。当从机检测到起始信号后，就知道自己被主机选中，开始准备与主机通信。
NSS信号线由低变高，是SPI通讯的停止信号。表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

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数据有效性
SPI使用MOSI和MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据传输。
MOSI和MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同步进行。
MOSI和MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出，在SCK的下降沿被采样。
SPI每次可以传输8位或16位为单位，不受限制。
MSB先行或LSB先行没有做硬性规定，但要保证两个SPI设备之间使用同样协定。一般采用MSB先行模式。

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CPOL/CPHA以及通讯模式
时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号（SPI通讯开始前，NSS线为高电平时SCK的状态）。CPOL=0时，SCK在空闲状态为低电平，CPOL=1则相反。

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时钟相位CPHA是指数据的采样时刻，当CPHA=0，MOSI或MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样，当CPHA=1时，数据线信号将会在SCK时钟线的“偶数边沿”被采样

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STM32的SPI特性以及架构
SPI外设简介
STM32的SPI外设可用作主机和从机，支持最高的SCK时钟频率f_pclk/2，完全支持SPI协议的四种模式，数据帧长度可设置为8位或16位，可设置MSB或LSB先行。
可以支持双线全双工、双向单线以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用MOSI和MISO数据线向一个方向传输数据。

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SPI架构剖析

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通讯引脚
STM32芯片有多个SPI外设，它们SPI通讯信号引到不同的GPIO引脚，使用时必须配置到这些指定的引脚。

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时钟控制逻辑
通过控制寄存器CR的BR[0:2]位控制，可以实现2、4、8、16、32、64、128、256分频。

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数据控制逻辑
SPI的MOSI以及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的内容来源于接收缓冲区、发送缓冲区以及MOSI、MISO线。
当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位通过数据线发送出去。
当从外部接收数据时，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位存储到“接收缓冲区”中。
通过写SPI的数据寄存器DR把数据填充到发送缓冲区中。通过读数据寄存器DR可以获取接收缓冲区中的内容。
数据帧长度->CR1的DFF位配置为8位或16位模式
MSB或LSB先行->LSBFIRST位

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整体控制逻辑
控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的”控制寄存器CR1/CR2“的参数而改变，基本的控制参数包括SPI模式、波特率、LSB先行、主从模式等
在SPI外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改”状态寄存器SR“。我们可以通过读取状态寄存器的相关位来了解SPI的工作状态。
控制逻辑还根据要求，负责产生SPI中断信号、DMA请求以及控制NSS信号线
一般实际应用过程中，我们一般不使用SPI外设标准的NSS信号线，而是简单的使用普通的GPIO

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通讯过程
主模式收发流程如下
1、控制NSS信号线，产生起始信号
2、把要发送的数据写入”数据寄存器DR“中，该数据会被存储到发送缓冲区
3、通讯开始，SCK时钟运转。MOSI把发送缓冲区里面的数据一位一位的传输出去，MISO把数据一位一位存储进接收缓冲区
4、发送完一帧数据时，“状态寄存去SR”的“TXE标志位”会被置1，表明传输完一帧，发送缓冲区已空。
接收完一帧数据时，“状态寄存去SR”的“RXNE标志位”会被置1，表明传输完一帧，接收缓冲区非空。
5、等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可
等待到“RXNE标志位”为1时，通过读取“数据寄存器”可以获取接收缓冲区中的内容
假如我们使能了TXE或RXNE中断，TXE或RXNE置1时会产生SPI中断信号，进入到同一个中断服务函数中，我们可以在该中断程序中检查寄存器位来了解是哪一个事件，在分别处理。
可以使用DMA方式来收发”数据寄存器DR“中的数据。

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SPI结构体以及具体实现代码详解
SPI初始化结构体

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typedef struct

{

  uint16_t SPI_Direction;  //设置SPI的单双向模式

  uint16_t SPI_Mode;     //设置SPI的主从模式

  uint16_t SPI_DataSize;   //设置数据帧长度 8/16位

  uint16_t SPI_CPOL;     //设置时钟极性CPOL

  uint16_t SPI_CPHA;     //设置时钟相位CPHA        

  uint16_t SPI_NSS;      //设置NSS引脚是由硬件/软件控制 

  uint16_t SPI_BaudRatePrescaler;   //设置时钟分频因子

  uint16_t SPI_FirstBit;           //设置MSB/LSB先行

  uint16_t SPI_CRCPolynomial;    //设置CRC校验的表达式

}SPI_InitTypeDef;

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SPI配置大体逻辑

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void SPI_Init(void){

    配置SPI的GPIO初始化；

        SPI_InitStructure SPI_InitStructure;

    配置SPI结构体里面的各个参数；

    SPI_Init(xx,&SPI_InitsStructure);

    SPI_Cmd(xx,ENABLE);

}

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SPI接收/发送一个字节的数据

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#define Bummy_Byte OXFF

//使用SPI发送一个字节的数据

u8 SPI_XX_SendByte(u8 byte){

    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;



    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(XX_SPI,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){

        if((SPITimeout--) == 0)

            return SPI_TIME_UserCallback(0);

    }

    SPI_I2S_SendData(XX_SPI,byte);

    SPITimeout = SPIT_FLAG_TIMEOUT;

    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(XX_SPI,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){

        if((SPITimeout--) == 0)

            return SPI_TIME_UserCallback(1);

    }

    return SPI_I2S_ReceiveData(FLASH_SPI);

}



//使用SPI读取一个字节的数据

//SPI的接收过程和发送过程实质是一样的

//Dummy_Byte 是一个任意值

u8 SPI_XX_ReadByte(void){

    return (SPI_XX_SendByte(Dummy_Byte));

}