SPI通信协议

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是由摩托罗拉（Motorola）在1980前后提出的一种全双工同步串行通信接口，它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，通信速度最高可达 25MHz以上。
SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、网络控制器、OLED显示驱动器、AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等设备之间。
SPI通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（Master Output Slave Input，MOSI），一条主设备输入与从设备输出（Master Input Slave Output，MISO），一条时钟信号（Serial Clock，SCLK），一条从设备使能选择（Chip Select，CS）。与I²C类似，协议都比较简单，也可以使用GPIO模拟SPI时序。

SPI可以同时发出和接收数据，因此SPI的理论传输速度比I²C更快。
但是SPI 通过片选引脚选择从机，一个片选一个从机，因此在多从机结构中，需要占用较多引脚，而I²C通过设备地址选择从机，只要设备地址不冲突，始终只需要两个引脚。

SPI可以一个主机连接单个或多个从机，每个从机都使用一个引脚进行片选，物理连接示意图如图

SPI 一主一从示意图

SPI 一主多从示意图

2**.数据交换**
在SCK时钟周期的驱动下，MOSI和MISO同时进行，如图所示，可以看作一个虚拟的环形拓扑结构。

虚拟环形拓扑结构

主机和从机都有一个移位寄存器也是串行移位寄存器，主机移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从机的移位寄存器，此时从机的串行移位寄存器的数据也通过MISO传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换。无论主机还是从机，发送和接收都是同时进行的，如同一个“环”。
如果主机只对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可。如果主机要读取从机数据，需要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。

STM32F103系列的SPI控制器，可作为通信主机或从机，支持完整的四种传输模式，支持8位或16位数据长度。每个SPI控制器都有一个片选引脚NSS，使用该引脚作为片选时，称为硬件片选模式，也可以使用任意GPIO作为片选引脚，称之为软件片选模式。
SPI控制器结构如图所示，可以看作四部分组成。
①引脚：SPI协议需要四个个引脚：MOSI、MISO、SCK、NSS。其中NSS可以使用任意GPIO代替，通过软件控制电平实现手动片选。
②数据收发：SPI的传输可以看成一个环形拓扑结构。发送数据时，总线上的数据写入发送缓冲区，由发送缓冲区进入移位寄存器，最后从MOSI输出。同时，MISO的数据也进入移位寄存器，传入接收缓冲区，
最后达到总线。
③时钟信号：SPI的时钟来源于PCLK，通过配置SPI_CR1寄存器的BR[2:0]实现对PCLK进行分频，最高为fPCLK/2。由前面图可知，SPI1挂载在APB2上的，SPI2是挂载在APB1上的。由前面图可知APB2最高72MHz，APB1最高36MHz。因此SP1工作最高频率为fPCLK2/2=36MHz，SPI2工作最高频率为 fPCLK1/2=18MHz。
④主控制逻辑：有两个控制寄存器（Control Register 1，CR1）和（Control Register 2，CR2）用于控制逻辑。通过它们可以修改SPI的工作模式（CPOL、CPHA），配置外设时钟频率，DMA使能等。同时控制逻辑的状态会反馈到（Status Register ，SR）这个状态寄存器上，得知SPI工作状态。

SPI 控制器模块图

3.STM32的SPI接口可以配置为支持SPI协议或者支持IIS
音频协议，默认是SPI协议，也可以通过软件方式切换成IIS方式。
SPI特征
● 3线全双工同步传输
● 带或不带第三根双向数据线的双线单工同步传输
● 8或16位传输帧格式选择
● 主或从操作
● 支持多主模式
● 8个主模式波特率预分频系数(最大为fPCLK/2)
● 从模式频率 (最大为fPCLK/2)
● 主模式和从模式的快速通信
● 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
─ 在发送模式下，CRC值可以被作为最后一个字节发送
─ 在全双工模式中对接收到的最后一个字节自动进行CRC校验
● 可触发中断的主模式故障、过载以及CRC错误标志，所以我们可以根据中断标志来判断数据发送情况，数据是否开始发送。
● 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

SP1接在APB1上

SPI一些寄存器

当SSM被置位时，NSS引脚上的电平由SSI位的值决定。

帧格式
0：先发送MSB；意思为先发送高字节
1：先发送LSB。意思为先发送低字节

SPE：SPI使能 (SPI enable)
位6
0：禁止SPI设备；
1：开启SPI设备。

传输模式
SPI有四种传输模式，如表 18.1.2 所示，主要差别在于CPOL和CPHA的不同。
CPOL（Clock Polarity，时钟极性）表示SCK在空闲时为高电平还是低电平。当CPOL=0，SCK空闲时为
低电平，当CPOL=1，SCK空闲时为高电平。
CPHA（Clock Phase，时钟相位）表示SCK在第几个时钟边缘采样数据。当CPHA=0，在SCK第一个边
沿采样数据，当CPHA=1，在SCK第二个边沿采样数据。

如图CPHA=0时，表示在时钟第一个时钟边沿采样数据。当CPOL=1，即空闲时为高电平，
从高电平变为低电平，第一个时钟边沿（下降沿）即进行采样。当CPOL=0，即空闲时为低电平，从低电平变为高电平，第一个时钟边沿（上升沿）即进行采样。

从高电平变为低电平再变为高电平，第二个时钟边沿（上升沿）即进行采样。当CPOL=0，即空闲时为低电
平，从低电平变为高电平再变为低电平，第二个时钟边沿（下降沿）即进行采样。

SPI接口模式
1.数据帧格式

根据SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位，输出数据可以选择MSB（高位）先或者LSB（低位）先。
根据SPI_CR1寄存器的DFF位，可以选择数据帧是8位或者16位，对发送和接收都有效。

2.状态标志
通过三个标志可以完全监控SPI总线的状态

发送缓存器空闲标志（TXE）

此标志为1的时候，表示发送缓冲寄存器为空，可以写入下一个待发送数据进入缓冲器中，当写入SPI_DR(数据寄存器)时，TXE标志被清除。
接收缓冲器非空(RXNE)

此标志为1表明接收缓冲器中包含有效数据，读SPI数据寄存器可以清楚此标志。
BSY标志
BSY标志由硬件设置与清楚，此标志表明SPI通信层的状态。