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STM32-SPI全双工同步通信

news 2025/7/23 14:08:36

一.简介：

SPI(Serial Peripheral Interface),即串行外围设备接口，是一种全双工同步通信总线。

1.物理层

在这里插入图片描述上图为SPI通讯常用的连线方式，
SPI通讯使用四条线：3条总线SCK、MOSI、MISO；1条片选线NSS(低电平有效)

SCK（Serial Clock): 时钟信号线;
MOSI(Master Output,Slave Input): 主设备输出，从设备输入，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，数据的方向为从机到主机;
NSS:从设备选择信号线，即片选信号线（CS)。有几个从设备，主机相应增加几条片选信号线。

3条总线SCK、MOSI、MISO并联

2.协议层

- 时序图：

在这里插入图片描述上图为主机的通讯时序。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。

- 起始、停止信号

NSS 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号;
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。

- CPOL/CPHA

SPI一共四种通讯模式
在这里插入图片描述

CPOL：时钟极性，即SPI通讯之前，NSS线为高电平时SCK的状态.
CPOL=0,空闲时SCK时钟为低电平；CPOL=1,空闲时SCK时钟为高电平。
CPHA:时钟相位，即数据的采样时刻。
CPHA=0,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;
CPHA=1,“偶数边沿”被采样。

二.I2C_InitTypeDef 结构体

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_DataSize; /* 设置 SPI 的数据帧长度，可选 8/16 位 */uint16_t SPI_CPOL; /* 设置时钟极性 CPOL，可选高/低电平 */uint16_t SPI_CPHA; /* 设置时钟相位，可选奇/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_BaudRatePrescaler; /* 设置时钟分频因子，fpclk/分频数 =fSCK */uint16_t SPI_FirstBit; /* 设置 MSB/LSB 先行 */uint16_t SPI_CRCPolynomial; /* 设置 CRC 校验的表达式 */
}SPI_InitTypeDef;

通过标准外设库中SPI_InitTypeDef结构体和初始化函数配置SPI外设。
1)SPI_Direction:设置SPI通讯方向，双线全双工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，双线只接收 (SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，单线只接收 (SPI_Direction_1Line_Rx)、单线只发送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。
2)SPI_Mode：一般设置为主机模式（SPI_Mode_Master）。
3)SPI_DataSize:数据帧大小是为 8 位 (SPI_DataSize_8b) 还是 16位(SPI_DataSize_16b)。
4)SPI_CPOL:时钟极性，高电平（SPI_CPOL_High）、低电平（SPI_CPOL_Low）。
5)SPI_CPHA:时钟相位，为 SPI_CPHA_1Edge(在 SCK 的奇数边沿采集数据) 或SPI_CPHA_2Edge(在 SCK 的偶数边沿采集数据)。
6）SPI_NSS：硬件模式（SPI_NSS_Hard）、软件模式（SPI_NSS_Soft）,软件模式则需编写程序控制 GPIO 端口拉高或置低产生非片选和片选信号，应用较多。
7）SPI_BaudRatePrescaler：可设置为2、4（SPI_BaudRatePrescaler_4）、6、8、16、32、64、128、256分频。
8）SPI_FirstBit：MSB 先行 (高位数据在前) 还是 LSB 先行 (低位数据在前)
9）SPI_CRCPolynomial：CRCPolynomial（CRC多项式）的设置是用来配置CRC（循环冗余校验）的计算方式

使用方法（例）：

void INIT_SPI_CONFIG()
{SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;//开启SPI时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);//结构体赋值SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;//奇/偶数边沿采样SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;//空闲时，CS高低电平SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;//数据帧长度：8位SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//双向全双工SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;//通过软件控制csSPI_InitStruct.SPI_CRCPolynomial = 7;//CRCPolynomial（CRC多项式）的设置是用来配置CRC（循环冗余校验）的计算方式SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_4;//波特率分频因子//初始化函数配置SPI外设SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStruct);//使能SPISPI_Cmd(SPI1,ENABLE);
}

三.收发数据原理

1.发送单字节数据

//发送字节
uint8_t SPI_FLASH_SendByte(uint8_t byte)
{//等待发送缓冲区为空while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){}SPI_I2S_SendData(SPI1,byte);//等待接收缓冲区非空while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){}return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

发送数据过程：
SPI_I2S_SendData()发送数据–>SPI数据寄存器DR–>发送缓冲区->SPI外设发出数据

2.读取单字节数据

//接收字节  必须先发送一个任意数字后，才可使用SPI_I2S_ReceiveData()读取数据
uint8_t SPI_FLASH_ReadByte()
{return SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);
}

接收数据过程：
SPI外设接收新数据–>接收缓冲区->SPI数据寄存器DR->SPI_I2C_ReceiveData()接收新数据;

复杂的数据通讯都是由单个字节数据收发组成的。

3.注意事项：

在SPI中，读操作和写操作是同步的。即使主设备只需要进行写操作，它也会收到从设备返回的数据；如果主设备只需要读取数据，它也必须发送一个空字节来触发从设备的数据传输。

写操作：主设备向从设备发送数据时，从设备会在相同的时钟周期中返回数据。主设备将发送的数据通过MOSI线传送到从设备，同时从设备通过MISO线将数据发送回主设备。如果主设备只进行写操作，它将忽略从设备返回的数据。
读操作：主设备要读取从设备的数据时，主设备必须向从设备发送一个数据字节（这可以是任意的空字节），从设备在接收到这个数据字节后，开始向主设备发送数据。

四.读写串行FLASH

1.简介

在这里插入图片描述
上图FLASH 芯片 (型号：W25Q64) 是一种使用 SPI 通讯协议的存储器，它的 CS/CLK/DIO/DO 引脚分别连接到了 STM32 对应的 SPI 引脚 NSS/SCK/MOSI/MISO 上。它与 EEPROM 都是掉电后数据不丢失的存储器，但 FLASH 存储器容量普遍大于 EEPROM。FLASH 芯片只能一大片一大片地擦写，而EEPROM可以单个字节擦写。

1）指令表

通过指令，实现FLASH读写操作。
在这里插入图片描述
上述指令表中，带括号的字节参数，方向为FLASH向主机传输；不带括号的字节参数，方向为主机向FLASH传输。

2）获取DeviceID

Device ID:标记不同的设备：

//获取Device ID
uint8_t SPI_FLASH_ReadDeviceID(void)
{//发送指令：0xAB  dummy  dummy dummy；接收:DeviceIDuint32_t DeviceID = 0;uint32_t temp = 0;//低电平 启动通讯SPI_FLASH_CS_LOW();temp = SPI_FLASH_SendByte(W25X_DeviceID_COMMAND);printf("temp1-1:%x0X\r\n",temp);temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);printf("temp1-2:%x0X\r\n",temp);temp  = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);printf("temp1-3:%x0X\r\n",temp);temp = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);printf("temp1-4:%x0X\r\n",temp);DeviceID = SPI_FLASH_ReadByte();//高电平 关闭通讯SPI_FLASH_CS_HIGH();return DeviceID;
}

3)获取Flash ID

Flash ID:专用于存储芯片的标识编码（如SPI NOR Flash），遵循JEDEC标准，包含厂商ID、容量和版本信息‌

//获取Flash ID
uint32_t SPI_FLASH_ReadFlashID(void)
{uint32_t FlashID,Temp1,Temp2,Temp3;SPI_FLASH_CS_LOW();//发送指令：0x9F；接收：生产厂商、存储类型、容量SPI_FLASH_SendByte(W25X_JEDEC_COMMAND);Temp1 = SPI_FLASH_ReadByte();Temp2 = SPI_FLASH_ReadByte();Temp3 = SPI_FLASH_ReadByte();SPI_FLASH_CS_HIGH();FlashID = (Temp1<<16)| (Temp2<<8) | Temp3;return FlashID;
}

主机端通过读取Flash ID 来测试硬件是否连接正常，或用于识别设备。

2.写操作

1）擦除扇区

//擦除扇区数据(重要) 一个扇区为4KB
void SPI_FLASH_SectorErase()
{//写使能SPI_FLASH_WriteEnableCommand();//等待FLASH写数据完成SPI_FLASH_WaitForEnd();SPI_FLASH_CS_LOW();//发送扇区擦除指令 0x20SPI_FLASH_SendByte(W25X_SectorErase_COMMAND);//发送扇区擦除地址 高位、中位、低位SPI_FLASH_SendByte((FLASH_SectorEraseAddress & 0xFF0000)>>16);SPI_FLASH_SendByte((FLASH_SectorEraseAddress & 0x00FF00)>>8);SPI_FLASH_SendByte(FLASH_SectorEraseAddress & 0x0000FF);SPI_FLASH_CS_HIGH();//等待擦除数据完成SPI_FLASH_WaitForEnd();
}//等待FLASH写数据完成
void SPI_FLASH_WaitForEnd()
{uint8_t Flag;SPI_FLASH_CS_LOW();SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadStatusReg_COMMAND);//发送 读取状态寄存器 指令do{Flag = SPI_FLASH_SendByte(Dummy_Byte);}while(Flag & WIP_STATUS == 0x01);SPI_FLASH_CS_HIGH();
}//发送FLASH 写使能 操作指令
void SPI_FLASH_WriteEnableCommand()
{SPI_FLASH_CS_LOW();SPI_FLASH_SendByte(W25X_WriteEnable_COMMAND);SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

注意事项：

擦除数据之间，要先发送写数据指令到FLASH；
FLASH 存储器的特性决定了它只能把原来为“1”的数据位改写成“0”，而原来为“0”的
数据位不能直接改写为“1”。所以这里涉及到数据“擦除”的概念，在写入前，必须要对目标存储矩阵进行擦除操作，把矩阵中的数据位擦除为“1”。

2）写入数据

//向Flash写入一页数据256Byte（DataSize < SPI_FLASH_PageSize）
void SPI_FLASH_WritePageData(uint8_t *SendDataAddress,uint32_t FlashAddress,uint8_t DataSize)
{//写使能SPI_FLASH_WriteEnableCommand();SPI_FLASH_CS_LOW();//写入命令SPI_FLASH_SendByte(W25X_WritePage_COMMAND);//写入地址 高位、中位、低位SPI_FLASH_SendByte((FlashAddress & 0xFF0000)>>16);SPI_FLASH_SendByte((FlashAddress & 0x00FF00)>>8);SPI_FLASH_SendByte(FlashAddress & 0x0000FF);//写入数据  一次写一个字节while(DataSize--){SPI_FLASH_SendByte(*SendDataAddress);//指向下一个字节数据SendDataAddress++;}SPI_FLASH_CS_HIGH();//等待写入完成SPI_FLASH_WaitForEnd();
}//向Flash写入全部数据 DataSize:字节数
void SPI_FLASH_WriteData(uint8_t *SendDataAddress,uint32_t FlashAddress,uint8_t DataSize)
{uint8_t PageNum = DataSize/SPI_FLASH_PageSize;//整数页数uint8_t modNum = DataSize % SPI_FLASH_PageSize;//剩余字节数if(PageNum == 0){//写入一页 (DataSize<SPI_FLASH_PageSize)SPI_FLASH_WritePageData(SendDataAddress,FlashAddress,DataSize);}else{ //写入多页 (DataSize>SPI_FLASH_PageSize)while(PageNum--){SPI_FLASH_WritePageData(SendDataAddress,FlashAddress,SPI_FLASH_PageSize);SendDataAddress += SPI_FLASH_PageSize;FlashAddress += SPI_FLASH_PageSize;}SPI_FLASH_WritePageData(SendDataAddress,FlashAddress,modNum);}
}

原理：
1）使能写操作；
2）读取FLASH芯片状态寄存器的内容（确定其是否空闲）；
3）扇区擦除（第一个字节为指令编码，紧跟着3个字节–要擦除的存储矩阵的地址）；
4）页写入（发送写指令，发送紧跟3个字节-写地址）。

3.读操作

//从Flash读取数据
void SPI_FLASH_ReadData(uint8_t *RecvDataAddress,uint32_t FlashAddress,uint8_t DataSize)
{SPI_FLASH_CS_LOW();//发送命令SPI_FLASH_SendByte(W25X_ReadData_COMMAND);//发送地址 高位、中位、低位SPI_FLASH_SendByte((FlashAddress & 0xFF0000)>>16);SPI_FLASH_SendByte((FlashAddress & 0x00FF00)>>8);SPI_FLASH_SendByte(FlashAddress & 0x0000FF);//读取数据 一次读一个字节while(DataSize--){*RecvDataAddress = SPI_FLASH_ReadByte();RecvDataAddress++;}SPI_FLASH_CS_HIGH();
}

原理：
1）发送读指令（0x03）；
2）发送读地址（三个字节，地址高位、地址中位、地址地位）；
3）SPI_I2C_ReceiveData（）读取数据。

4.发送和接收数据对比

//对比发送和接收的数据
STATUS CompareData(uint8_t *SendData,uint8_t *RecvData,uint8_t DataSize)
{while(DataSize--){if(*SendData != *RecvData)return FAILED;SendData++;RecvData++;}return PASSED;
}