STM32的SPI口的DMA读写[原创www.cnblogs.com/helesheng]

SPI是我最常用的接口之一，连接管脚仅为4根；在常见的芯片间通信方式中，速度远优于UART、I2C等其他接口。STM32的SPI口的同步时钟最快可到PCLK的二分之一，单个字节或字的通信时间都在us以下，因此大多数情况下我们会使用查询法控制SPI口的传输。但对于大量且连续的通信，再使用查询法就显得有些浪费CPU的时间，DMA控制SPI的读写显然成为一种不错的选择。

为DMA控制SPI批量数据读写的功能，参照官方代码编写的DMA控制SPI口在主/从两种模式下，读写数据的的代码，供各位网友直接使用或批评指正。先直接上我得到结论：

1、运用STM32的SPI口的DMA的功能，能够提升STM32与外设之间通信的速率和实时性。

2、但在STM32的SPI的主机模式下，DMA控制器无法自动产生片选CS信号，只能与无需同步CS信号的外设器件通信。为产生同步的CS信号，只能由软件控制SPI逐字发送，而DMA仅用于接收SPI数据，这样做的效率和不使用DMA时一样。

3、主模式下，软件控制片选CS信号和SPI读写时，存在至少50%的时间空隙，降低了其SPI通信的效率。

4、STM32的SPI主机模式下，无法只使用DMA接收，而不同时发送。原因是没有触发SPI的DMA接收的信号。至于发送数据的方法可以是DMA发送，也可以是软件控制的逐字发送。

5、STM32的SPI若要使用DMA方式，最合适的是让STM32工作在SPI的从模式，由外部主机（如FPGA）控制CS信号，从而提高通信的数据率。

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一、STM32做SPI主机（Master）时的DMA传输

STM32做SPI主机进行DMA通信时，尤其需要注意的是：不能单独使用SPI接收数据DMA，一定要配合SPI发送数据，DMA接收数据通道才能收到数据。道理很简单：STM32做主机时，如果不主动发送数据将无法产生时钟和片选等信号，亦无法在传输完成后触发DMA接收数据。但在使用时，这一点非常容易被忽视，从而造成DMA接收SPI数据通道DMA1CH2和DMACH4“不工作”。

图1、STM32 DMA1各通道功能

 

具体来说，使用SPI口的DMA接收功能有两种配置方法：

1、SPI口的接收和发送各使用一个DMA通道

这样做最符合DMA控制大量数据连续发送和接收的设计初衷，此种情况下的SPI口和两个DMA通道的配置分别如下： 

 1 RCC_APB2PeriphClockCmd(    RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE );    
 2 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;//PA5 6 7是SPI1的SCK MIOS MOSI
 3 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
 4 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 5 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 6 GPIO_SetBits(GPIOA , GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);    //将其置位
 7 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
 8 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;        //设置SPI工作模式:设置为主SPI
 9 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;        //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
10 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;        //空闲时时钟为低电平
11 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;    //数据捕获于第1个时钟沿
12 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;        //SPI_NSS_Hard;    ////NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
13 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;        //定义波特率预分频的值
14 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;    //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
15 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;    //CRC值计算的多项式
16 SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
17 SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI1外设
SPI的配置
 1 RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);    //使能DMA传输
 2 ///////以下配置DMA CH2用于接收SPI的DMA通道/////
 3 DMA_DeInit(DMA1_Channel2);   //将DMA的通道1寄存器重设为缺省值
 4 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&(SPI1->DR);  //DMA外设基地址
 5 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)spi_rx_buff;  //DMA内存基地址
 6 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;  //数据传输方向，从外设读取数据到内存
 7 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = num;  //DMA通道的DMA缓存的大小
 8 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  //外设地址寄存器不变
 9 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  //内存地址寄存器递增
10 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;  //数据宽度为16位
11 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //数据宽度为16位
12 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;  //工作在正常模式
13 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh; //DMA通道 x拥有中优先级 
14 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;  //DMA通道x没有设置为内存到内存传输
15 DMA_Init(DMA1_Channel2, &DMA_InitStructure);  //根据DMA_InitStruct中指定的参数初始化DMA的通道
16 ///////以下配置DMA的SPI发送通道///////////
17 DMA_DeInit(DMA1_Channel3);  
18 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&(SPI1->DR); //设置接收外设(0x4001300C) 地址(源地址)
19 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)spi_tx_buff;   //设置 SRAM 存储地址(源地址)
20 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;  //传输方向 内存-外设
21 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = num;  //设置 SPI1 接收长度
22 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址增量(不变)
23 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  //内存地址增量(变化)
24 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //外设传输宽度(字节)
25 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //内存传输宽度(字节)
26 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; //传输方式,一次传输完停止,不重新加载
27 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; //DMA优先级
28 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;   //内存到内存方式禁止
29 DMA_Init(DMA1_Channel3, &DMA_InitStructure);
收发两个DMA通道的配置

主程序中收发控制程序如下：

 1 SPIx_Init();//SPI初始化
 2 DMA_Config(256);//配置DMA对应的两个通道，数据深度设为256
 3 SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Rx , ENABLE);
 4 SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Tx , ENABLE);
 5 while(1)
 6 {
 7     DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2,256);//必须在每次启动DMA之前设置
 8     DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel3,256);//必须在每次启动DMA之前设置
 9     DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);  //使能DMA所指示的通道 
10     DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE);  //使能DMA所指示的通道 
11     while(1)
12     {
13         if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2) != RESET)    //判断通道2传输完成
14         {
15             DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2);//清除通道2传输完成标志
16             break; 
17         }
18     }
19     DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE);//禁止DMA 
20     DMA_Cmd(DMA1_Channel3, DISABLE);//禁止DMA 
21     delay_ms(1);    
22 }
SPI主机DMA使用流程

这里我没有使用DMA中断，为的是验证代码的简单易懂；在实际使用时，建议读者使用中断以提高数据读写效率。另外，代码中值得注意的地方有：

1）使用DMA传输之前，必须使能SPI发送和接收触发DAM传输请求，官方固件库中的函数分别为：SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Rx , ENABLE);和SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Tx , ENABLE);

2）每轮DMA传输完成后，需在次启动一轮DMA传输之前，需要重新设置传输数据计数器：DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2,256);和DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel3,256);

另外，我在使用上述方法的时候，忽然发现一个致命的问题：如果使用DMA控制STM32作为SPI主机输出数据，那么谁来产生片选信号CS呢？后来尝试过将NSS（PA4——SPI1或PB12——SPI2）管脚配置给SPI口，并改由硬件来控制该管脚：  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Hard;结果发现均不奏效，也就是说：在SPI主模式下使用DMA发送，无法产生有效的片选CS信号！这无疑是致命的缺陷！——也许是我的理解不到位，请各位知道怎么解决这个问题的大神一定要高速我一下。（当然这一缺陷，对于无需在单次发送字节/半字之后给出片选CS信号的应用——如大容量SPI接口存储器，并不成其为问题。）

无法在用DMA控制SPI发送时控制CS信号，我只好退而求其次：改由软件控制SPI发送，并同步产生CS信号。但这样做已经失去了DMA接收SPI的意义，因为软件控制SPI发送后，通信的速度和使用查询法是一样的！

2、SPI接收使用DMA控制，发送使用软件控制

尽管我认为发送使用软件控制后，DMA在接收中带来的好处已经基本丧失，但在这里仍然给出主程序中收发控制程序供读者参考。

 1 SPIx_Init();
 2 DMA_Config(256);//配置DMA的SPI通道，数据深度设为256
 3 SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Rx , ENABLE);
 4 delay_ms(300);
 5 while(1)
 6 {
 7     while(n_interrupt != 0);//等到中断到来
 8     while(n_interrupt == 0);//等到中断结束
 9     DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2,256);//这部必须在每次启动DMA之前设置，
10     DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);  //使能DMA所指示的通道 
11     for(k = 0 ; k < 256 ; k++)
12     {
13         CS = 0;
14         SPIx_ReadWrite16bit(0xaa55);//只使用了DMA接收SPI数据，但接收要由软件启动发送数据才能接收，此处只是随便发送了一个数据
15         CS = 1;
16     }
17     if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2)!=RESET)    //判断通道2传输完成
18         DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2);//清除通道2传输完成标志
19     DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE);//禁止DMA 
20         //////////以下可以把数据传输走//////////
21         
22     }
SPI主机，软件控制逐字发送，接收用DMA控制

可以看到，当由软件控制SPI发送后，就可以由软件产生和发送同步的片选CS了。但这样做与收发都采用查询法的效率几乎一样了。

特别的，当采用查询法直接控制SPI口的接收和发送时，硬件的读写和软件的指令总是存在较大时间空隙：向SPI数据寄存器SPI_DR写入数据到SPI实际发出数据之间存在至少200ns间隔；检测SPI状态寄存器SPI_SR中的TXE（发送缓冲区空位）时，TXE位的变化总是比实际发送完成晚至少200ns。例如上面的代码，函数SPIx_ReadWrite16bit();通过软件控制片选CS信号和SPI硬件的方式通信，下图是它所产生的CS信号（蓝）和SCK（黄），可以发现该函数用于发送的时间只占了实际耗费时间的一半以下，特别是当发送字长仅为8bits时，时间利用率真的是非常感人。

 

查询法实现片选CS信号（蓝色）和SPI硬件产生的时序

 对于这样的实时性，我实在是不明白意法半导体的STM32设计师的初衷是什么。当然，也有可能是笔者才疏学浅，如果有大神知道，烦请转告，多谢！

二、STM32做SPI从机（Slave）时的DMA传输

当然用DMA读写SPI，更合理的方式是让STM32的SPI工作在从机模式，只要主机给出合理的片选CS、时钟SCK和数据MOSI/MISO信号，作为从机的STM32就能在DMA的支持下，实现高效、实时的数据接收。下面的代码中，我将SPI1配置为从机模式，用DMA1CH2接收数据。

 1     /////// DMA CH2配置代码/////////
 2 RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);    //使能DMA传输
 3 DMA_DeInit(DMA1_Channel2);   //将DMA的通道1寄存器重设为缺省值
 4 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&(SPI1->DR);  //DMA外设基地址
 5 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)spi_rx_buff;  //DMA内存基地址
 6 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;  //数据传输方向，从外设读取数据到内存
 7 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = num;  //DMA通道的DMA缓存的大小
 8 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  //外设地址寄存器不变
 9 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  //内存地址寄存器递增
10 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;  //数据宽度为16位
11 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //数据宽度为16位
12 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;  //工作在正常模式
13 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh; //DMA通道 x拥有中优先级 
14 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;  //DMA通道x没有设置为内存到内存传输
15 DMA_Init(DMA1_Channel2, &DMA_InitStructure);  //根据DMA_InitStruct中指定的参数初始化DMA的通道
16     /////// SPI1配置代码/////////
17 RCC_APB2PeriphClockCmd(    RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE );    
18 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;//PA4 PA5 6 7是SPI1的CS SCK MIOS MOSI
19 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
20 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
21 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
22 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
23 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Slave;        //设置SPI工作模式:设置为SPI从机
24 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;        //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
25 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;        //空闲时时钟为低电平
26 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;    //数据捕获于第1个时钟沿
27 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;        //SPI_NSS_Hard;    ////NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
28 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;        //定义波特率预分频的值
29 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;    //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
30 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;    //CRC值计算的多项式
31 SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
SPI从机DMA使用流程

主程序中，控制DMA和读取缓冲中的程序如下所示。这里为了代码的简单易懂，同样没有使用DMA中断，在实际使用时，建议读者使用中断以提高数据读写效率。

 1 SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI1外设
 2 DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2,256);//这部必须在每次启动DMA之前设置，
 3 DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);  //使能DMA所指示的通道 
 4 while(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2)==RESET);    //判断通道2传输完成
 5 DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2);//清除通道2传输完成标志
 6 DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE);//禁止DMA 
 7 SPI_Cmd(SPI1, DISABLE); //禁止SPI，只在开启SPI时接收数据，防止主机不断发送
 8 //////////以下可以把数据传输走//////////
 9 for(i=0;i<256;i++)
10 data_repo_short[i] = spi_rx_buff[i];
SPI从机配置代码

下图是我用FPGA作为SPI主机产生的读写时序，可以看到此时SPI可以达到很高的通信效率。提高SCK的主频后，通信速度上限10Mbytes/S左右（主要受限于STM32的接收SCK频率）。

FPGA产生的SPI主机时序,STM32做从机

 三、总结

STM32的SPI接口并不完美，仍然存在各种小问题，尤其是在SPI作为主机受DMA控制传输大量数据时，效率并不能得到很大提升。但当STM32的SPI作为从机时，DMA控制的数据传输，能够较大的提升数据传输的效率。

 

posted @ 2022-10-07 16:54  helesheng  阅读(12374)  评论(5)  编辑  收藏  举报