SPI通信协议

~ SPI和串口都是一种全双工的通信方式：支持同时收-同时发

~ SPI有MOSI（Master Output，Slave Input）和MISO（Master Input，Slave Output）；

~ 串口有TX和RX；

~ IIC只有一根数据线；

~ IIC是一种半双工的通信方式：在某一时刻可以接受或发送不能在同一时刻收发。

SPI的常见通信系统：

SPI的通信时序：

~ 这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而 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与 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。

~ 标号1处，NSS信号线由高变低，是 SPI通讯的起始信号。NSS是每个从机各自独占的信号线，当从机检在自己的 NSS线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号6处，NSS信号由低变高，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。

~ SPI使用 MOSI及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI及 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时进行的。（故假设通信的SCK频率为20MHz,故数据每秒传输20MBit。）数据传输时，MSB先行或 LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用图中的 MSB先行模式。

~ 观察图中的2,3,4,5标号处，MOSI及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出，在 SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK的下降沿时刻，MOSI及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及 MISO为下一次表示数据做准备。SPI每次数据传输可以 8位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

　　上图中的时序只是 SPI中的其中一种通讯模式，SPI一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。他们由“时钟极性 CPOL”和“时钟相位 CPHA”决定。

　　　　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(即 SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时， SCK 在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。

　　　　时钟相位 CPHA是指数据的采样的时刻，当 CPHA=0时，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，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。

　　我们来分析这个 CPHA=0 的时序图。首先，根据 SCK 在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK 信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。无论 CPOL=0 还是=1，因为我们配置的时钟相位 CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在 SCK 的奇数边沿。注意当 CPOL=0 的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1 的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以 SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI和 MISO 数据线的有效信号在 SCK 的奇数边沿保持不变，数据信号将在 SCK 奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和 MISO 的有效信号才发生切换。类似地，当 CPHA=1时，不受 CPOL的影响，数据信号在 SCK 的偶数边沿被采样。

由 CPOL及 CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，见表 24-1，主机与从机需要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”。

~ 与 I2C外设一样，STM32 芯片也集成了专门用于 SPI协议通讯的外设。

STM32 的 SPI外设可用作通讯的主机及从机，支持最高的 SCK 时钟频率为 f pclk /2(STM32F429 型号的芯片默认 f pclk1 为 90MHz，f pclk2 为 45MHz)，STM32F429主频为180M，f pclk1 = 90MHz（APB2的时钟），f pclk2 = 45MHz（APB1的时钟）。完全支持 SPI协议的 4种模式，数据帧长度可设置为 8 位或 16 位，可设置数据 MSB先行（高位先行）或 LSB先行（低位先行）。它还支持双线全双工(前面说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。其中双线单向模式可以同时使用 MOSI及 MISO 数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度。而单线模式则可以减少硬件接线，当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。

　　STM32 的 SPI外设还支持 I2S功能，I2S功能是一种音频串行通讯协议，在我们以后讲解 MP3 播放器的章节中会进行介绍。

　　STM32 的 SPI 架构剖析。

　　SPI的所有硬件架构都从图中左侧 MOSI、MISO、SCK 及 NSS线展开的STM32 芯片有多个 SPI外设，它们的 SPI通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，关于 GPIO 引脚的复用功能，可查阅《STM32F4xx规格书》，以它为准。

其中 SPI1、SPI4、SPI5、SPI6 是 APB2 上的设备，最高通信速率达 45Mbtis/s，SPI2、SPI3 是 APB1 上的设备，最高通信速率为 22.5Mbits/s。其它功能上没有差异。

时钟控制逻辑

SCK 线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器 CR1”中的 BR[0:2]位控制，该位是对 f pclk 时钟的分频因子，对 f pclk 的分频结果就是 SCK 引脚的输出时钟频率，计算方法见表 24-3。

数据控制逻辑

SPI的 MOSI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及发送缓冲区以及 MISO、MOSI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，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“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 “数据寄存器 DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧长度可以通过“控制寄存器 CR1”的“DFF位”配置成 8 位及 16 位模式；配置“LSBFIRST位”可选择 MSB先行还是 LSB先行。