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2021-07-30 21:23:24 星期五

一、I2C——读写EEPROM

1、I2C协议

IIC通信协议（Inter-Integrated Circuit）由于引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，被广泛地使用在系统内多个集成电路（IC）间的通讯。

1.1、物理层

特点：

• 支持多设备的总线。总线指多个设备共用的信号线。
• 只使用两条总线线路，一条双向串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。
• 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
• 总线通过上拉电阻接到电源。当设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
• 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
• 具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s,高速模式下可达3.4Mbit/s，但目前大多IIC设别尚不支持高速模式。
• 连接到相同总线的IIC数量收到总线的最大电容400pF限制。

1.1、协议层

I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

基本读写过程

上图表示的时主机和从机通讯时，SDA线的数据包序列。

起始（S）和停止（P）信号

数据的有效性

地址及数据方向
I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。
I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。
紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向， 它是数据方向位(R/)，第8位或第11位。
数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据
读数据方向时，主机会释放对SDA信号线的控制，由从机控制SDA信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。

2、STM32的IIC外设

STM32的I2C外设可用作通讯的主机及从机，支持100Kbit/s和400Kbit/s的速率，支持7位、10位设备地址，支持DMA数据传输， 并具有数据校验功能。

二、SPI——读写串行flash

1、SPI协议

Serial Peripheral Interface,串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线，被广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间，要求通讯速率较高的场合。

1.1、物理层

SS：从设备选择信号线，常称为片选信号线，也称为NSS、CS。
SPI协议中没有设备地址，使用SS信号线来寻址，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：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样， 如STM32的SPI时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，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。主机的数据从这条信号线输出， 从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

MISO：(Master Input,，Slave Output)主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据， 从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

1.2、协议层

通讯时序

数据有效性：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。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SPI通讯时序中的MSB先行模式。

CPOL/CPHA及通讯模式
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。实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。

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。

2、STM32的SPI外设特性及架构

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外设还支持I2S功能，I2S功能是一种音频串行通讯协议。

2.1、SPI架构

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fpclk时钟的分频因子， 对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率。

fpclk频率是指SPI所在的APB总线频率，APB1为fpclk1，APB2为fpckl2。
通过配置“控制寄存器CR”的“CPOL位”及“CPHA”位可以把SPI设置成前面分析的4种SPI模式。

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。

整体控制逻辑：
整体控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括前面提到的SPI模式、 波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位， 就可以了解SPI的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。

实际应用中，我们一般不使用STM32 SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出，从而产生通讯起始和停止信号。

2.2、通讯过程

STM32使用SPI外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器SR”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

主模式收发流程及事件说明如下：

1. 控制NSS信号线， 产生起始信号(图中没有画出)；

2. 把要发送的数据写入到“数据寄存器DR”中， 该数据会被存储到发送缓冲区；

3. 通讯开始，SCK时钟开始运行。MOSI把发送缓冲区中的数据一位一位地传输出去； MISO则把数据一位一位地存储进接收缓冲区中；

4. 当发送完一帧数据的时候，“状态寄存器SR”中的“TXE标志位”会被置1，表示传输完一帧，发送缓冲区已空；类似地， 当接收完一帧数据的时候，“RXNE标志位”会被置1，表示传输完一帧，接收缓冲区非空；

5. 等待到“TXE标志位”为1时，若还要继续发送数据，则再次往“数据寄存器DR”写入数据即可；等待到“RXNE标志位”为1时， 通过读取“数据寄存器DR”可以获取接收缓冲区中的内容。

假如我们使能了TXE或RXNE中断，TXE或RXNE置1时会产生SPI中断信号，进入同一个中断服务函数，到SPI中断服务程序后， 可通过检查寄存器位来了解是哪一个事件，再分别进行处理。也可以使用DMA方式来收发“数据寄存器DR”中的数据。