STM32 —— SPI 协议入门
STM32 —— 标准 SPI 协议入门
简介
SPI 是由摩托罗拉(Motorola)公司 20 世纪 80 年代中期开发的全双工同步串行总线，标准 SPI 有 4 根线，它们是 MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选），如下图：
SPI是串行扩展总线，串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高。同时系统的更改和扩充极为容易。常用的串行扩展总线有：I2C（ Inter IC Bus )总线、单总线（ 1-WIRE BUS )、SPI（ Serial Peripheral Interface ）总线及 Microwire/PLUS 等
SPI 是微处理控制单元( MCU )和外围设备之间进行通信的同步串行端口。主要应用在 EEPROM、Flash、实时时钟( RTC )、数模转换器( ADC )、网络控制器、MCU、LCD 屏、数字信号处理器( DSP )以及数字信号解码器之间。SPI 典型系统框图如下图，接线方式：主设备 MISO 接从设备 MISO ，主设备 MOSI 接从设备 MOSI ，主从设备所有 SCLK 接在一起，主设备 CS0-CSn 接不同从设备 CS
SPI 总线是微控制器四线的外部总线。SPI 没有明文标准，是一种事实总线，对通信操作的实现由芯片厂商和驱动开发者通过 data sheet 和 application notes 沟通实现的细节。SPI 是四根信号线协议，如下：
主要特点
全双工
可以当作主机或从机工作
提供频率可编程时钟
发送结束中断标志
写冲突保护，总线竞争保护等
工作方式
SPI 是单主设备通信，总线中只有一个设备发起通信，能发起通信的设备称为主设备。当 SPI 主设备想读/写从设备时，首先拉低对应从设备的 SS 线（ SS 是低电平有效）；然后发送工作脉冲到时钟线上，在相应的脉冲时间上，主设备把信号发到 MOSI 实现写，同时可以对 MISO 线采样实现读
SPI 有四种操作模式：模式 0、模式 1、模式 2、模式 3，下面将分别进行介绍
通讯过程
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
CPOL 和 CPHA
这几个模式之间的区别是定义了在时钟脉冲的哪条边沿转换（toggles）输出信号，哪条边沿采样输入信号，还有时钟脉冲的稳定电平值（即时钟信号无效时是高还是低）。每种模式由两个参数描述，称为时钟极CPOL（clock polarity）与时钟期CPHA（clock phase）
CPOL：时钟极性为 0 时 SPI 总线空闲为低电平，为1时SPI总线空闲为高电平
CPHA：时钟相位为 0 时在 SCK 第一个跳变沿采样，为1时在SCK第二个跳变沿采样
下图 SPI 总线时钟和相位不同延伸出四种工作方式，其中使用的最为广泛的是 SPI0 和 SPI3 方式 (实线表示)：
Mode = Bit[CPOL]Bit[CPHA]
CPOL=0 表示 SCK 在空闲状态时为 0
CPOL=1 表示 SCK 在空闲状态时为 1
CPHA=0 表示在 SCK 第一个边沿时输入输出数据有效
CPHA=1 表示在 SCK 第二个边沿时输入输出数据有效
一般从器件的工作模式是固定的，主机要跟从机采用一样的工作模式，双方才能正常通信。如果有多个从设备，且从设备使用了不同的工作参数，那么主设备与不用的从设备通信时必须重新配置这些参数
Mode 0
当 CPHA=0、CPOL=0 时 SPI 总线工作在方式 1，SCK空闲状态为低电平，主机数据在每个上升沿被从机采样。MISO 引脚上的数据在第一个 SPSCK 沿跳变之前已经上线了，而为了保证正确传输，MOSI 引脚的 MSB 位必须与 SPSCK 的第一个边沿同步，在 SPI 传输过程中，首先将数据上线，然后在同步时钟信号的上升沿时，SPI 的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（下降沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的 8 位信号传输结束
Mode 0
当 CPHA=0、CPOL=0 时 SPI 总线工作在方式 0 。SCK 空闲状态为低电平，主机数据在每个上升沿被从机采样，数据输出同理。 MISO 引脚上的数据在第一个 SPSCK 沿跳变之前已经上线了，而为了保证正确传输，MOSI 引脚的 MSB 位必须与 SPSCK 的第一个边沿同步，在 SPI 传输过程中，首先将数据上线，然后在同步时钟信号的上升沿时，SPI 的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（下降沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的 8 位信号传输结束
Mode 1
当 CPHA=1、CPOL=0 时，SCK 空闲时为低电平，在 SCK 第二个边沿时数据有效，即 SCK 下降沿有效。SPI 总线工作在方式 1 。MISO 引脚和 MOSI 引脚上的数据的MSB位必须与 SPSCK 的第一个边沿同步，在 SPI 传输过程中，在同步时钟信号周期开始时（上升沿）数据上线，然后在同步时钟信号的下降沿时，SPI 的接收方捕捉位信号，在时钟信号的一个周期结束时（上升沿），下一位数据信号上线，再重复上述过程，直到一个字节的 8 位信号传输结束
Mode 2
当 CPHA=0、CPOL=1 时 SPI 总线工作在方式 2 ，SCK 空闲时为高电平，在 SCK 第一个边沿时数据有效，即 SCK 下降沿有效。与前者唯一不同之处只是在同步时钟信号的下降沿时捕捉位信号，上升沿时下一位数据上线
Mode 3
当 CPHA=1、CPOL=1 时 SPI 总线工作在方式3。SCK 空闲状态为高电平，主机数据在第二个边沿时有效，即每个上升沿被从机采样。与前者唯一不同之处只是在同步时钟信号的上升沿时捕捉位信号，下降沿时下一位数据上线
基本时序
SS 为低电平时，表示对应的从机设备被使能，在每个 SCK 周期可以传输 1Bit 数据，采样时刻取决于器件支持的 SPI mode ，根据不同 SPI 器件的控制方法，在进行正式的数据读写操作前，一般需要先写入控制字，然后是寄存器地址和数据
如下是 FM25V05 铁电存储器采用 SPI 模式 0 的写时序，SS(CS) 被拉低，主机数据在每个上升沿被从机采样，Opcode 是控制字，控制字采样结束后开始采样数据：
如下是FM25V05铁电存储器采用SPI模式0的读时序：
需要注意的是在 SS 下降沿和 SCLK 第一个边沿，或 SS 上升沿和 SCLK 最后一个边沿之间要留有一定的延迟时间，一般是 0.5 个 SCLK 周期。
