[017] [STM32] SPI协议详解及CubeMX+HAL函数配置分析_stm32cubemx开发spi步骤

1 SPI协议

SPI（Serial Peripheral interface）串行外围设备接口是同步全双工的通信总线，在芯片的管脚上只占用四根线。

1.1 物理层

• SS/NSS/CS：从设备选择信号线（片选信号线）。由主设备控制，选择指定的从设备。

  当主机要选择从设备时，把该从设备的SS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以SS线置低电平为开始信号，以SS线被拉高作为结束信号。

• SCK (Serial Clock)：时钟信号线。用于通讯数据同步，只能由主设备产生，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备

• MOSI（Master Output, Slave Input）：主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。

• MISO（Master Input, Slave Output）：主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。

1.2 协议层

SPI总线内部结构：

结构抽象图：

在时钟信号控制下，主机将要发送的数据写到数据缓存区（Memory），缓存区经过8位移位寄存器shift register，串口移位寄存器通过MOSI信号线将数据一位一位的移到从机，从机将MISO接口收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到数据缓存区（Memory）。同时从机也将自己移位寄存器数据通过MOSI发送给主机，两个移位寄存器数据完成交互，读写同时进行。

因此，SPI读写操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节引发从机传输。

1.2.1 时钟极性与时钟相位

• 时钟极性CPOL：指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平信号(即SPI通讯开始前、 CS片选线为高电平时SCK的状态)。
  • CPOL = 0：SCK在空闲状态时为低电平
  • CPOL = 1：SCK在空闲状态时为高电平
• 时钟相位CPHA：指数据的采样的时刻
  • CPHA = 0：MOSI/MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样（第一个跳变沿开始）
  • CPHA = 1：MOSI/MISO数据线上的信号将会在SCK时钟线的“偶数边沿”被采样（第二个跳变沿开始）

由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，主机与从机必须工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。

1.2.2 通信协议

SPI相对于IIC，没有规定最大传输速率、设备地址、通信应答机制、流控制规则；只要四根线连接正确，SPI模式一致，将设备的CS片选线拉低，即可与其直接通信，且读写数据同时进行。

由图知：SCK空闲时为低电平，则CPOL = 0；第二个边沿开始采样，则CPHA = 1；即SPI模式1。

• 1：NSS片选线由高变低，是SPI通讯的起始信号

• 2/3/4/5：奇数边沿触发、偶数边沿采样

• 6：NSS片选线由低变高，是SPI通讯的停止信号

1.3 软件模拟SPI通信

初始化代码：

void SPI_Init(void)
{  
  /*##-1- Enable peripherals and GPIO Clocks #########################*/
  /* Enable GPIO TX/RX clock */
  SPI_SCK_GPIO_CLK_ENABLE();
  SPI_MISO_GPIO_CLK_ENABLE();
  SPI_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE();
  SPI_NSS_GPIO_CLK_ENABLE();
 
  /*##-2- Configure peripheral GPIO #######################*/
  /* SPI SCK GPIO pin configuration  */
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  
  GPIO_InitStruct.Pin       = SPI_SCK_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_RESET);	// CLK 初始化低
 
  /* SPI MISO GPIO pin configuration  */
  GPIO_InitStruct.Pin = SPI_MISO_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  HAL_GPIO_Init(SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
 
  /* SPI MOSI GPIO pin configuration  */
  GPIO_InitStruct.Pin = SPI_MOSI_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  HAL_GPIO_Init(SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  
  GPIO_InitStruct.Pin = SPI_NSS_PIN;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  HAL_GPIO_Init(SPI_NSS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
  HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_SET);		// NSS 初始化高
}
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SCK NSS MOSI 为输出，MISO为输入；CLK 初始化低，NSS 初始化高

模拟 SPI 通信（CPOL=0，CPHA=0）

• 读/写单个字节

void SPI_WriteByte(uint8_t data)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t temp = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        temp = ((data & 0x80) == 0x80) ? 1 : 0;
        data = data << 1;
        SPI_CLK(0);   // CPOL=0
        SPI_MOSI(temp);
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);   // CPHA=0 第一个边沿采样
        SPI_Delay();
    }
    SPI_CLK(0);		// CPOL=0 SCK空闲电平为低
}

uint8_t SPI_ReadByte(void)
{
    uint8_t i = 0;
	uint8_t data = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        data = data << 1;
        SPI_CLK(0);
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);
        SPI_Delay();
        if (SPI_MISO())
            data++;
    }
    SPI_CLK(0);
    return data;
}
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• 读写同时进行

uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t temp = 0;
	uint8_t read_data = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
		temp = ((data & 0x80) == 0x80) ? 1 : 0;
        data = data << 1;
        read_data = read_data << 1;
        SPI_CLK(0);
        SPI_MOSI(temp);
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);
        SPI_Delay();
        if (SPI_MISO())
            read_data++;
    }
    SPI_CLK(0);
    return data;
}
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2 STM32硬件SPI

2.1 硬件SPI框架

2.2 SPI模式

2.3 SPI配置步骤

• 设置 BR[2:0] 位以定义串行时钟波特率（主模式需要，从模式时钟频率由其主机决定）
• 选择 CPOL 和 CPHA 位
• 设置 DFF 位，以定义 8 或 16 位数据帧格式
• 配置 SPI_CR1 寄存器中的 LSBFIRST 位以定义帧格式（先发MSB还是LSB）。（默认为Motorola模式，如果选择 TI 模式，则不需要此步骤）
• NSS引脚配置
  • 主模式：如果 NSS 引脚配置成输入，在 NSS 硬件模式下，NSS 引脚在整个字节发送序列期间都连接到高电平信号；在 NSS 软件模式下，将 SPI_CR1 寄存器中的 SSM 和 SSI位置1。如果 NSS 引脚配置成输出，只应将 SSOE 位置 1。如果选择 TI 模式，则不需要此 步骤。
  • 从模式：在硬件模式下，NSS 引脚在整个字节 发送序列期间都必须连接到低电平。在 NSS 软件模式下，将 SPI_CR1 寄存器中的 SSM 位置 1，将 SSI 位清零。如果选择 TI 模式，则不需要此步骤。
• SPE 位置 1 使能SPI（MSTR 位清零表示从模式，置位为主模式）

2.4 事件标志

STM32F4/L0均有TI帧格式错误标志，F1则没有

2.4.1 状态标志

• 发送缓冲区为空 (TXE)

  此标志置 1 时，表示发送缓冲区为空，可以将待发送的下一个数据加载到缓冲区中。对 SPI_DR 寄存器执行写操作时，将清零 TXE 标志。

• 接收缓冲区非空 (RXNE)

​ 此标志置 1 时，表示接收缓冲区中存在有效的已接收数据。读取 SPI_DR 时，将清零该标志。

• BUSY

  BSY 标志由硬件置 1 和清零，用于指示 SPI 通信的状态，BSY = 1：表明SPI正忙于通信。但有个例外：在主模式的双向接收模式下(MSTR=1、BDM=1并且BDOE=0)，在接收期间BSY标志保持为低。以下情况硬件将清零该标志：

  • 传输完成时<主模式连续通信除外>
  • 关闭SPI
  • 发生主模式故障时 <MODF=1>
  • 当通信不连续时，BSY 标志在各通信之间处于低电平。
  • 当通信连续时：
    • 在主模式下，BSY 标志在所有传输期间均保持高电平
    • 在从模式下，BSY 标志在各传输之间的一个 SPI 时钟周期内变为低电平

2.4.2 错误标志

主模式故障 (MODF)

• 错误原因：当主器件的 NSS 引脚拉低（NSS 硬件模式下）或 SSI 位为 0（NSS 软件模式下）时，会发生主模式故障，自动将 MODF 位置 1。
• 对SPI外设的影响：
  • 如果 ERRIE 位置 1，MODF 位将置 1，并生成 SPI 中断。
  • SPE 位清零。这将关闭器件的所有输出，并关闭 SPI 接口。
  • MSTR 位清零，从而强制器件进入从模式。
• 清除错误标志：在 MODF 位置 1 时，对 SPI_SR 寄存器执行读或写访问，然后对 SPI_CR1 寄存器执行写操作。

为避免包含多个 MCU 的系统中发生多从模式冲突，必须在 MODF 位清零序列期间将 NSS 引脚拉高。在该清零序列后，可以将 SPE 和 MSTR 位恢复到原始状态。

溢出错误（OVR）

• 错误原因：当主器件发送完数据字节，而从器件尚未将上一个收到的数据所产生的 RXNE 位清零时，将 出现溢出情况。
• 对SPI外设的影响：OVR 位置 1 并在 ERRIE 位置 1 时生成一个中断。此时接收器缓冲区内容不会更新，主器件后续发送的数据均丢失
• 清除错误标志：依次读取 SPI_DR 寄存器和 SPI_SR 寄存器可将 OVR 清除。

CRC错误

• 错误原因：移位寄存器中接收的值与 SPI_RXCRCR 的值不匹配

对SPI外设的影响及如何清除错误标志 手册未说明。

TI 模式帧格式错误

• 错误原因：SPI从模式下，且配置为符合 TI 模式协议，则在持续通信期间出现 NSS 脉冲 时，将检测到 TI 模式帧格式错误。
• 对SPI外设的影响：SPI_SR 寄存器中的 FRE 标志将置 1，发生错误时不会关闭 SPI，但会忽略 NSS 脉冲，并且 SPI 会等待至下一个 NSS 脉冲，然后 再开始新的传输。由于错误检测可能导致丢失两个数据字节，因此数据可能会损坏。
• 清除错误标志：读取 SPI_SR 寄存器。

2.5 主要寄存器

2.6 CubeMX配置

模式设置

• 全双工主机/从机模式
• 办双工主机/从机模式
• 只接收主机/从机模式
• 只发送主机/从机模式

硬件NSS信号

• 不使能
• NSS输入信号
• NSS输出信号

基本参数

• Frame Format帧格式：Motorola摩托罗拉 或 TI
• Data size数据大小：8位 或 16位
• First Bit：MSB/LSB先行

时钟参数

• 波特率分配因子：
  
• CPOL时钟极性：low or high
• CPHA时钟相位：1 edge or 2 edge

高级参数

• CRC循环校验：使能/失能
• NSS信号类型：软件

2.7 HAL库SPI函数

MX SPI 初始化参数：

void MX_SPI1_Init(void)
{
  hspi1.Instance = SPI1;			
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;			 			//主模式
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;   			// 双向全双工
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;		 			// 8位数据长度	
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;	 			// CPOL=0, CLK极性为低电平
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;		 			// CPHA=0, CLK相位为第一个边沿采样
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;				 			// 软件NSS硬件	
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;	// 波特率 = fpclk / 2
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;					// 最高位先发送
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;					// 不使用TI模式
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;	// 不使用CRC校验
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 7;								// CRC多项式为7
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}
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轮询方式的SPI发送、接收、收发函数：

HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size,
                                          uint32_t Timeout);
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中断、DMA方式也均有此类函数。

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参考：

• 【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程十四—SPI
• STM32通信模拟SPI
• 软件模拟SPI接口程序代码（4种模式）

END