MCU常见通信总线串讲（四）—— SPI总线协议

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前言

首先明确一个概念，关于MCU中通信总线和通信协议，通信总线是一种用于连接各种外设和模块的物理接口，它可以传输数据和控制信息。通信协议则是指在通信总线上传输数据时所遵循的规则和约定，以确保不同设备之间能够正确地交换信息，我们也可以把他叫做通信总线协议。

系列文章，主要讲解以下几个总线协议，读者可以按需选择：

1. UART和USART
2. RS232、RS485总线
3. IIC总线
4. SPI总线
5. CAN总线
6. USB总线

一、SPI总线协议基本概念

SPI是一种高速全双工的通信总线。

在这里插入图片描述

如上图所示，SPI有三根总线，和一根片选线组成，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为SS

1. SS（Slave Select）：从设备选择信号线，常称为片选信号线
2. SCK（Serial Clock）：时钟信号线，用于通信数据同步
3. MOSI（Master Output，Slave Input）：主设备输出/从设备输入引脚
4. MISO（Master Input，Slave Output）：主设备输入/从设备输出引脚

二、SPI协议层

在这里插入图片描述

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。

1. NSS信号线由高变低，是SPI通信的起始信号，NSS信号线由低变高是SPI通信的停止信号
2. 数据有效性：观察图中的②③④⑤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”。在其他时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。
3. CPOL/CPHA及通信模式：

在这里插入图片描述

三、I2C和SPI的区别

I2C（Inter-Integrated Circuit）和SPI（Serial Peripheral Interface）都是两种常见的串行通信协议，它们在硬件接口、数据传输方式和应用场景上有一些明显的区别。

1. 硬件接口：
   • I2C需要两根线，即时钟线（SCL）和数据线（SDA）。它使用开漏输出来实现总线的双向数据通信。
   • SPI通信需要至少四根线，包括时钟线（SCLK）、数据输入线（MISO）、数据输出线（MOSI）和片选线（SS）。
2. 数据传输方式：
   • I2C使用一个主从架构，允许多个设备连接到同一总线上。数据是以帧的形式进行传输，每个帧包括一个起始位、7或8位数据位、一个可选的ACK位和一个停止位。
   • SPI通常采用一对主从设备的方式，其中一个设备作为主控制器，其他设备作为从设备。它通过全双工通信进行数据传输，可以实现高速数据传输。
3. 应用场景：
   • I2C通常用于连接低速外设，如传感器、EEPROM和实时时钟等，因为它比较简单并且支持多主机连接。
   • SPI通常用于连接高速外设，如存储器芯片、显示器、AD/DA转换器等，因为它可以提供更高的数据传输速率和灵活性。

四、SPI的定义

初始化结构体及函数定义在库文件stm32f10x_spi.h及stm32f10x_spi.c中，

typedef struct
{
     uint16_t SPI_Direction;           /＊设置SPI的单双向模式 ＊/
     uint16_t SPI_Mode;                /＊设置SPI的主/从机端模式 ＊/
     uint16_t SPI_Data Size;           /＊设置SPI的数据帧长度，可选8位或16位 ＊/
     uint16_t SPI_CPOL;                /＊设置时钟极性CPOL，可选高或低电平＊/
     uint16_t SPI_CPHA;                /＊设置时钟相位，可选奇或偶数边沿采样 ＊/
     uint16_t SPI_NSS;                 /＊设置NSS引脚由SPI硬件控制还是软件控制＊/
     uint16_t SPI_Baud Rate Prescaler; /＊设置时钟分频因子，fpclk/分频数=f SCK ＊/
     uint16_t SPI_First Bit;           /＊设置MSB/LSB先行 ＊/
     uint16_t SPI_CRCPolynomial;       /＊设置CRC校验的表达式 ＊/
} SPI_Init Type Def;

最后

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