stm32 HAI庫 SPI（一）原理

基本特點

  • 通信方式：同步、串行（串行、并行、并發，別再傻傻分不清了！_串行和并行的區別-CSDN博客）、全雙工 （也可以選擇半雙工）
  • 速率：50MHZ以下
  • 數據格式：8位/16位
  • 傳輸順序：MSB先行/LSB先行

通信

spi通信需要四個引腳，MOSI MISO SCK NSS。

  • MOSI： master output slave input 主設備數據輸出 從設備數據接收
  • MISO：master input slave output
  • SCK：時鐘線 只有主設備能控制。不同的設備支持的最高時鐘頻率不一樣，如?STM32?的 SPI 時鐘頻率最大為 fpclk/2，兩個設備之間通訊時，通訊速率受限于低速設備
  • NSS（CS）：片選不同的從設備 可選擇硬件NSS和軟件NSS

一對一：

一對多：

SCK

時鐘線 空閑電平取決于工作模式的設置（見后）

NSS

原理：NSS保持高電平，如果想發起通信，主設備就去拉低對應從機的NSS信號線使能從機 開始與其通信（即MOSI 與 MISO 的信號只在 NSS 為低電平的時候才有效）

NSS可以選擇是硬件模式還是軟件模式，硬件模式就是一個固定的引腳作為NSS，直接與外界從設備的GPIO口相連，軟件自選管腳

NSS模式的選擇是由SPI_CR1寄存器中的ssm位和SPI_CR2寄存器中的SSOE位控制的。

區分一下NSS和CS

雖然大概上說這兩者差不多（或者可以直接看做相同） 但還是有些微妙的差別。
NSS指的是芯片硬件上的那個真實存在的片選管腳,而CS雖然也起到片選從機的作用 但是它主要是強調主從之間實際連接的那個片選線，用軟件手動控制。

具體的通信過程

  1. 主機首先拉低對應從機的NSS信號線，表示與該設備進行通信。
  2. 然后主機發送SCLK時鐘信號，通知從機讀/寫數據。（SCLK時鐘信號可能是低電平有效，也可能是高電平有效，見【spi四種工作模式】）
  3. 主機(Master)將要發送的數據寫到發送數據緩存區(Menory)，緩存區經過移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通過MOSI信號線將字節一位一位的移出去傳送給從機，同時MISO接口接收到的數據經過移位寄存器一位一位的移到接收緩存區。
  4. 從機(Slave)也將自己的串行移位寄存器(0~7)中的內容通過MISO信號線返回給主機。同時通過MOSI信號線接收主機發送的數據，這樣，兩個移位寄存器中的內容就被交換。

Warning

SPI沒有嚴格意義上的讀寫操作 只有發送和接收 而且無論是對主還是從設備 發送和接收都是一起進行的。
以主設備為例 主設備移位寄存器一位位把數據傳到MOSI信號線上同時 MISO信號線上的數據也被一位位移進數據移位寄存器 然后再傳給緩沖區這樣
所以無論是主還是從設備 發送（接收）一個字節必須同時接收（發送）一個字節
如果是要主設備只輸出 就得忽略掉從設備發送的字節。同理主設備只接收 從設備就得忽略掉主設備發送的字節

（不過這個知道就好 hal庫函數已經配備好了 如果不是自己寫軟件SPI的話其實不用考慮）

四種工作模式

SPI的工作模式由CPOL（時鐘極性）和CPHA（相位）控制。
CPOL=0：低電平空閑高電平讀取 =1：高電平空閑
CPHA=0：第一個沿采樣 =1：第二個沿采樣

模式CPOLCPHA說明
000高電平的上升沿讀取
101高電平的下降沿讀取
210低電平的下降沿讀取
311低電平的上升沿讀取

這四種工作模式的選擇不是自己喜歡哪個選哪個 而是要根據從設備的數據幀規格設定。

STM32 SPI硬件架構

幾個相關的寄存器：

  • 控制寄存器：SPI_CR1 和SPI_CR2。控制整個SPI模塊的工作狀態
    • SPI_CR1：
      • CPHA：時鐘相位，0：第一個邊沿采樣 1：第二個邊沿
      • CPOL：時鐘極性（0: 空閑時為低電平；1: 空閑時為高電平）
      • MSTR：主從選擇（1：主機）
      • BR[2:0]：波特率設置，控制 SCK 的分頻
      • SPE：使能SPI
      • SSM：軟件NSS管理。SSM=1，軟件NSS。此時是否選中從機由下面的SSI位決定^^
      • SSI:在SSM=1時有效。SSI=1，相當于軟件拉高MSS，如果設置為0相當于拉低NSS（開始通信）
      • LSBFIRST：是否小端傳輸
      • SSI/SSM：軟件控制 NSS（用于不連接外部 NSS）
      • RXONLY：接收模式（1 = 僅接收 也就是半雙工，只有MISO能使用）（0：全雙工
      • DFF：數據幀格式（0: 8bit，1: 16bit）
      • CRCEN：CRC 校驗使能
      • BIDIMODE ：=0：全雙工；=1：單線模式，只能使用MOSI來進行雙向傳輸
      • BIDIOE：僅在BIDIMODE=1時有效。=1：單線處于主機發送模式；=0：單線處于從機接收模式
    • SPI_CR2：
      • TXEIE ：開啟后當TXE=1（發送緩沖區為空）時觸發中斷 讓cpu發數據
      • RXNEIE：開啟后當RXNE=1（接收緩沖區費控）時觸發中斷 讓cpu讀數據
      • ERRIE： 錯誤中斷使能
      • SSOE：硬件 NSS 輸出使能（主機自動控制 NSS）
      • TXDMAEN / RXDMAEN：發送/接收 DMA 使能
  • 狀態寄存器SPI_SR
    • RXNE：接收緩沖區非空（表示可以讀取）（rx no empty）
    • TXE：發送緩沖區空（表示可以寫入）
    • BSY：忙標志位（1 = 正在通信）
    • OVR：溢出錯誤（接收緩沖未讀取就新數據來了
    • MODF： 模式錯誤（如主從沖突）
    • CRCERR：CRC錯誤
  • 數據移位寄存器/串并轉換器shift register：把數據一位位的移入/移出 實現數據串行和并行之間的轉換
  • tx buffer：發送緩沖區，由 CPU 或 DMA 寫入數據。
  • rx buffer：接收緩沖區，接收到的數據存放在這里，等待 CPU 或 DMA 讀取。
  • Baud Rate Generator（波特率發生器）：?控制 SCK（串行時鐘）的頻率，由 CR1 寄存器中的 BR[2:0] 決定，通過分頻選擇 SPI 的時鐘速度。
  • Master Control Logic（主控邏輯）,由 CR1 中的 MSTR、SPE 控制。MSTR：選擇主/從設備（1 = 主機，0 = 從機）。SPE：SPI 使能。

再解釋一下軟件NSS

硬件NSS下內部是直接根據NSS引腳上的電平來進行狀態判斷的。
軟件NSS下因為不知道你選的是哪個GPIO口 所以不能直接去讀對應引腳的電平了 內部就只能通過SPICR1寄存器里的ssi位來模擬NSS線上的電平變化。這部分是要你自己寫的。

硬件SPI和軟件模擬SPI

硬件

硬件spi就是打開cubemx上的spi配置，自帶CRC校驗（可選）和DMA（可選）。

  1. 先使能spi

模式這里選擇的是全雙工 右邊自動亮起三個固定引腳對應SCK MISO MOSI，NSS默認不顯示（即使用軟件NSS）

2.


如果打開硬件NSS（可以選擇NSS是輸入還是輸出 主設備的話就是NSS輸出 從設備的話就是NSS輸入，無論輸出還是輸入NSS都是用那一個引腳）。
如果堅持使用軟件NSS，就在右邊隨便選一個引腳設置為GPIO_OUTPUT.

3.參數設置（參數設置我瞎選的 不用跟著我來 要跟著從機）

  • frame format幀格式。可以選擇motoroia和TI兩種。
    • 選TI會變成這樣


      摩托羅拉比TI多一個時鐘極性和相位的選擇還有first bit。
      一般默認使用摩托羅拉。（TI模式蠻麻煩的我沒仔細看 但是應用上其實會簡單點 因為少了挺多配置）
  • data size：SPI 每次數據傳輸可以 8 位或 16 位為單位，每次傳輸多少個單位無限制。
  • first bit：選擇字節序。MSB或者LSB都可以?跟著從設備選
    MSB和LSB
  • prescaler：通過配置它使波特率適配從機
  • baud rate ：線上的波特率 是根據你的時鐘配置 和 prescaler的選擇 自動計算得到?跟著從機走
  • CPOL：時鐘極性 設置0或1
  • CPHA：相位。
  • CRC calculation：crc校驗是否開啟
    - 開啟它后會出現一個CRC Polynomial 默認即可
    CRC校驗
  • nss signal typedef：自動跟著之前的配置

具體使用見:
硬件SPI的HAL庫函數調用

軟件模擬

就是自己在keil5里寫代碼 選4個引腳分別代表SCK MOSI MISO NSS，寫對應的發送/接收/時鐘拉高/拉低/數據讀取等等操作。
軟件比起硬件SPI大概只有一個自選引腳的優點 其他全是缺點（特別是時序上需要非常精確）so不建議用。
而且軟件SPI沒法用DMA，數據一多讀起來很占用CPU。

SPI使用過程中的一些注意

  • 主從設備的MOSI和MOSI是對應相連 而不是交叉相連（be like MOSI——MISO）

  • 主機在SPI初始化后必須先拉低從機的NSS再發送（因為SPI一enable馬上就會輸出時鐘脈沖……）否則很容易會丟數據，發送完成后需要等待BSY標志位為0才能把NSS拉高

  • 硬件NSS的話hal庫函數里是能實現第二條的 但是沒有BSY==0后再升高NSS的邏輯 so如果是一些時序嚴格的設備就不要用硬件NSS了……自己寫吧

  • 軟件NSS不僅自己拉高/拉低NSS要自己寫 SPI_CR1寄存器中SSI位的1or0判斷也要自己寫

參考：
【STM32 HAL庫SPI/QSPI協議學習，基于外部Flash讀取】_stm32 hal qspi-CSDN博客
SPI中NSS/CS使用和SPI常見問題_spi cs-CSDN博客
【STM32】HAL庫 STM32CubeMX教程十四---SPI-CSDN博客
STM32F405/415, STM32F407/417, STM32F427/437 and STM32F429/439 advanced Arm?-based 32-bit MCUs - Reference manual

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