1 SPI物理層
SPI通信設(shè)備之間常用物理連接方式如下圖

?SPI通訊使用3條總線及片選線，3條總線分別為SCK、MOSI、MISO，片選線為CS。
?CS:從設(shè)備選擇信號線，常稱為片選信號線，也稱為NSS。當(dāng)有多個SPI從設(shè)備與SPI主機(jī)相連時，設(shè)備的其它信號線SCK、MOSI及MISO同時并聯(lián)到相同的SPI總線上，即無論有多少個從設(shè)備，都共同只使用這3條總線；而每個從設(shè)備都有獨(dú)立的這一條CS信號線，本信號線獨(dú)占主機(jī)的一個引腳，即有多少個從設(shè)備，就有多少條片選信號線。SPI協(xié)議中沒有設(shè)備地址，它使用CS信號線來尋址，當(dāng)主機(jī)要選擇從設(shè)備時，把該從設(shè)備的CS信號線設(shè)置為低電平，該從設(shè)備即被選中，即片選有效，接著主機(jī)開始與被選中的從設(shè)備進(jìn)行SPI通訊。所以SPI通訊以CS線置低電平為開始信號，以NSS線被拉高作為結(jié)束信號。
?SCK:時鐘信號線，用于通訊數(shù)據(jù)同步。它由通訊主機(jī)產(chǎn)生，決定了通訊的速率，不同的設(shè)備支持的最高時鐘頻率不一樣，如STM32的SPI時鐘頻率最大為fpclk/2，兩個設(shè)備之間通訊時，通訊速率受限于低速設(shè)備。
在NRF52832中

typedef enum
{
    NRF_DRV_SPI_FREQ_125K = NRF_SPI_FREQ_125K, ///< 125 kbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_250K = NRF_SPI_FREQ_250K, ///< 250 kbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_500K = NRF_SPI_FREQ_500K, ///< 500 kbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_1M   = NRF_SPI_FREQ_1M,   ///< 1 Mbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_2M   = NRF_SPI_FREQ_2M,   ///< 2 Mbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_4M   = NRF_SPI_FREQ_4M,   ///< 4 Mbps.
    NRF_DRV_SPI_FREQ_8M   = NRF_SPI_FREQ_8M    ///< 8 Mbps.
} nrf_drv_spi_frequency_t;

nrf_drv_spi_frequency_t可以用來配置SPI的通信速率。
?MOSI (Master Output， Slave Input)主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳。主機(jī)的數(shù)據(jù)從這條信號線輸出，從機(jī)由這條信號線讀入主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，即這條線上數(shù)據(jù)的方向?yàn)橹鳈C(jī)到從機(jī)。
?MISO(Master Input,，Slave Output)：主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳。主機(jī)從這條信號線讀入數(shù)據(jù)，從機(jī)的數(shù)據(jù)由這條信號線輸出到主機(jī)，即在這條線上數(shù)據(jù)的方向?yàn)閺臋C(jī)到主機(jī)。
2 協(xié)議層
2.1 SPI基本通信過程

?這是一個主機(jī)的通訊時序。NSS、SCK、MOSI信號都由主機(jī)控制產(chǎn)生，而MISO的信號由從機(jī)產(chǎn)生，主機(jī)通過該信號線讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)。MOSI與MISO的信號只在NSS為低電平的時候才有效，在SCK的每個時鐘周期MOSI和MISO傳輸一位數(shù)據(jù)。
?在上圖中的標(biāo)號1處，NSS信號線由高變低，是SPI通訊的起始信號。NSS是每個從機(jī)各自獨(dú)占的信號線，當(dāng)從機(jī)檢在自己的NSS線檢測到起始信號后，就知道自己被主機(jī)選中了，開始準(zhǔn)備與主機(jī)通訊。在圖中的標(biāo)號?處，NSS信號由低變高，是SPI通訊的停止信號，表示本次通訊結(jié)束，從機(jī)的選中狀態(tài)被取消。
?SPI使用MOSI及MISO信號線來傳輸數(shù)據(jù)，使用SCK信號線進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。MOSI及MISO數(shù)據(jù)線在SCK的每個時鐘周期傳輸一位數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)輸入輸出是同時進(jìn)行的。數(shù)據(jù)傳輸時，MSB先行或LSB先行并沒有作硬性規(guī)定，但要保證兩個SPI通訊設(shè)備之間使用同樣的協(xié)定，一般都會采用上圖中的MSB先行模式。
?觀察圖中的2，3，4，5標(biāo)號處，MOSI及MISO的數(shù)據(jù)在SCK的上升沿期間變化輸出，在SCK的下降沿時被采樣。即在SCK的下降沿時刻，MOSI及MISO的數(shù)據(jù)有效，高電平時表示數(shù)據(jù)“1”，為低電平時表示數(shù)據(jù)“0”。在其它時刻，數(shù)據(jù)無效，MOSI及MISO為下一次表示數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。
?SPI每次數(shù)據(jù)傳輸可以8位或16位為單位，每次傳輸?shù)膯挝粩?shù)不受限制。
3 SPI的模式
?上面講述的圖中的時序只是SPI中的其中一種通訊模式，SPI一共有四種通訊模式，它們的主要區(qū)別是總線空閑時SCK的時鐘狀態(tài)以及數(shù)據(jù)采樣時刻。為方便說明，在此引入“時鐘極性CPOL”和“時鐘相位CPHA”的概念。
?時鐘極性CPOL是指SPI通訊設(shè)備處于空閑狀態(tài)時，SCK信號線的電平信號(即SPI通訊開始前、 NSS線為高電平時SCK的狀態(tài))。CPOL=0時， SCK在空閑狀態(tài)時為低電平，CPOL=1時，則相反。
?時鐘相位CPHA是指數(shù)據(jù)的采樣的時刻，當(dāng)CPHA=0時，MOSI或MISO數(shù)據(jù)線上的信號將會在SCK時鐘線的“奇數(shù)邊沿”被采樣。當(dāng)CPHA=1時，數(shù)據(jù)線在SCK的“偶數(shù)邊沿”采樣。

?我們來分析這個CPHA=0的時序圖。首先，根據(jù)SCK在空閑狀態(tài)時的電平，分為兩種情況。SCK信號線在空閑狀態(tài)為低電平時，CPOL=0；空閑狀態(tài)為高電平時，CPOL=1。
?無論CPOL=0還是=1，因?yàn)槲覀兣渲玫臅r鐘相位CPHA=0，在圖中可以看到，采樣時刻都是在SCK的奇數(shù)邊沿。注意當(dāng)CPOL=0的時候，時鐘的奇數(shù)邊沿是上升沿，而CPOL=1的時候，時鐘的奇數(shù)邊沿是下降沿。所以SPI的采樣時刻不是由上升/下降沿決定的。MOSI和MISO數(shù)據(jù)線的有效信號在SCK的奇數(shù)邊沿保持不變，數(shù)據(jù)信號將在SCK奇數(shù)邊沿時被采樣，在非采樣時刻，MOSI和MISO的有效信號才發(fā)生切換。

?類似地，當(dāng)CPHA=1時，不受CPOL的影響，數(shù)據(jù)信號在SCK的偶數(shù)邊沿被采樣，見上圖。
?由CPOL及CPHA的不同狀態(tài)，SPI分成了四種模式，見下表，主機(jī)與從機(jī)需要工作在相同的模式下才可以正常通訊，實(shí)際中采用較多的是“模式0”與“模式3”。

3 軟件模擬
模式0

void SPI_write_read_mode1(unsigned int n_Data)
{
  unsigned char x = 0x00;
  unsigned int data;
  SPI_CS = 0;  
  delay_us(10);          
  for(x = 0x00;x < 8;x ++)
  {
    SPI_SCK = 0;                //數(shù)據(jù)發(fā)送
    if((n_Data & 0x80) == 0x80)  
       SPI_MOSI = 1;          
    else SPI_MOSI = 0;          
    n_Data = n_Data << 1;  
          
     SPI_SCK = 1;              //數(shù)據(jù)接收
     data<<=1;  
     if(SPI_MISO)  
     {data++;}
     SPI_SCK = 0;
  }
  
}

模式1

void SPI_write_read_mode2(unsigned int n_Data)
{
  unsigned char x = 0x00;
  unsigned int data;
  SPI_CS = 0;  
  delay_us(10);          
  for(x = 0x00;x < 8;x ++)
  {
    SPI_SCK = 1;                //數(shù)據(jù)發(fā)送
    if((n_Data & 0x80) == 0x80)  
       SPI_MOSI = 1;          
    else SPI_MOSI = 0;        
    n_Data = n_Data << 1;  
          
    SPI_SCK = 0;              //數(shù)據(jù)接收
    data<<=1;  
    if(SPI_MISO)  
    {data++;}
    SPI_SCK = 0;
  }
  
}

模式2

void SPI_write_read_mode3(unsigned int n_Data)
{
  unsigned char x = 0x00;
  unsigned int data;
  SPI_CS = 0;  
  delay_us(10);          
  for(x = 0x00;x < 8;x ++)
  {
    SPI_SCK = 1;                  //數(shù)據(jù)發(fā)送
    if((n_Data & 0x80) == 0x80)  
       SPI_MOSI = 1;          
    else SPI_MOSI = 0;          
    n_Data = n_Data << 1;  
          
    SPI_SCK = 0;                //數(shù)據(jù)接收 
    data<<=1;  
    if(SPI_MISO)  
    {data++;}
    SPI_SCK = 0;
  }
  SPI_SCK = 1;    
}

模式3

void SPI_write_read_mode4(unsigned int n_Data)
{
  unsigned char x = 0x00;
  unsigned int data;
  SPI_CS = 0;  
  delay_us(10);        
  for(x = 0x00;x < 8;x ++)
  {
    SPI_SCK = 0;                  //數(shù)據(jù)發(fā)送
    if((n_Data & 0x80) == 0x80)  
       SPI_MOSI = 1;          
    else SPI_MOSI = 0;          
    n_Data = n_Data << 1;  
          
    SPI_SCK = 1;                //數(shù)據(jù)接收
    data<<=1;  
    if(SPI_MISO)  
    {data++;}
    SPI_SCK = 0;
  }
  SPI_SCK = 1;  
}

參考資料：
1《STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南-基于STM32F4》 劉火良，楊森編著 機(jī)械工業(yè)出版社
2 軟件模擬SPI部分的程序參考了公眾號“ Bernice堅(jiān)果丁” https://mp.weixin.qq.com/s/SqKvReXRXCrqIj-G78I9CA

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的SPI通信的基础知识的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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