嵌入式通信协议学习——SPI篇

目录

前言

什么是SPI

SPI的四种工作模式

SPI的通信通信流程

HAL库的SPI API

1. 阻塞模式（Polling Mode）

2. 中断模式（Interrupt Mode）

3. DMA模式（Direct Memory Access Mode）

Reference

---

前言

在我们接触过了IIC之后，使用SPI也不会变得特别的费事，他跟其他的通信协议还是非常的类似的。下面我们就来深入的理解一下我们的SPI协议。

什么是SPI

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种由摩托罗拉公司在20世纪80年代初提出的同步串行通信协议，广泛应用于微控制器（MCU）与外设之间的数据传输。其主要特点是高速、全双工、主从结构，适用于短距离、高速率的数据交换，可以看到他跟我们的IIC差距不小的，IIC比起来速度会稍微弱一些，支持的力度也是半双工。

对于SPI的通信中，通常涉及四条信号线（注意，我们的讨论中没有VCC和GND，但是不代表没有）

• MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入。

• MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出。

• SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主设备生成。

• SS/CS（Slave Select/Chip Select）：片选信号，用于选择特定的从设备，通常为低电平有效。

SPI这个通信协议跟我们的IIC一样，也是主从模式的通信，但是跟IIC不同的是，SPI下只能由一个主设备，一个或多个从设备（这个无所谓）。提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave），所有针对SPI接口的读写操作，都是由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

SPI的四种工作模式

SPI的数据传输协议在物理特性上还是非常的灵活的。我们的数据传输由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）两个关键参数定义，共同决定数据的采样和锁存时机

1. CPOL（时钟极性）

   • CPOL=0：时钟空闲时为低电平。

   • CPOL=1：时钟空闲时为高电平。

2. CPHA（时钟相位）

   • CPHA=0：数据在时钟的第一个边沿（上升沿或下降沿）采样。

   • CPHA=1：数据在时钟的第二个边沿采样。

四种模式组合如下：

• 模式0：CPOL=0，CPHA=0 → 数据在时钟上升沿采样。

• 模式1：CPOL=0，CPHA=1 → 数据在时钟下降沿采样。

• 模式2：CPOL=1，CPHA=0 → 数据在时钟下降沿采样。

• 模式3：CPOL=1，CPHA=1 → 数据在时钟上升沿采样。

SPI的通信通信流程

基本上都是按照——初始化通信——交换数据——完成通信的流程来的。

1. 初始化总线 主设备配置时钟极性、相位、数据顺序和时钟频率（需符合从设备要求）。

2. 选择从设备 主设备拉低目标从设备的片选信号（SS），激活通信。

3. 数据传输

   • 主设备通过MOSI线逐位发送数据，同时从设备通过MISO线返回数据。

   • 每个时钟周期传输一位数据，实现全双工通信（同时发送和接收）。

   • 数据长度通常为8位或16位，具体取决于设备要求。

4. 结束通信 传输完成后，主设备拉高片选信号（SS），释放总线。若需连续传输，可保持SS为低电平并继续发送数据。

举个例子，假设主设备向从设备发送字节0x55（二进制01010101），并接收从设备返回的字节0xAA（二进制10101010），工作模式为模式0（CPOL=0，CPHA=0）：

1. 主设备拉低SS信号，选中从设备。

2. 主设备生成时钟信号（空闲时为低电平）。

3. 主设备在时钟上升沿从MOSI输出数据位（MSB先发）：

   • 第1个上升沿发送0（最高位），同时读取MISO上的1（最高位）。

   • 依次传输后续位，8个时钟周期后完成一字节交换。

4. 主设备拉高SS信号，结束本次传输。

HAL库的SPI API

1. 阻塞模式（Polling Mode）

在阻塞模式下，函数在数据传输完成前会一直等待，适用于简单、对实时性要求不高的场合。

• HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout) 发送数据。

• HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout) 接收数据。

• HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size, uint32_t Timeout) 同时发送和接收数据。

这些函数在调用时会阻塞程序，直到数据传输完成或超时。

2. 中断模式（Interrupt Mode）

中断模式通过中断机制实现非阻塞通信，适用于对实时性有一定要求的应用。

• HAL_SPI_Transmit_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size) 启动发送数据的中断传输。

• HAL_SPI_Receive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size) 启动接收数据的中断传输。

• HAL_SPI_TransmitReceive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size) 启动同时发送和接收数据的中断传输。

在使用中断模式时，需要实现相应的回调函数，如HAL_SPI_TxCpltCallback()、HAL_SPI_RxCpltCallback()和HAL_SPI_TxRxCpltCallback()，以处理传输完成后的操作。

3. DMA模式（Direct Memory Access Mode）

DMA模式利用DMA控制器实现数据的高速传输，适用于大量数据的传输，减轻CPU负担。

• HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size) 启动发送数据的DMA传输。

• HAL_SPI_Receive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size) 启动接收数据的DMA传输。

• HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size) 启动同时发送和接收数据的DMA传输。

使用DMA模式时，也需要实现相应的回调函数，如HAL_SPI_TxCpltCallback()、HAL_SPI_RxCpltCallback()和HAL_SPI_TxRxCpltCallback()，以处理传输完成后的操作。

Reference

https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN991.pdf