GaoSheng
SPI通讯协议介绍
GaoSheng Lv4
  2025-03-22 15:36:45   2025-03-22 17:13:05

本文简单介绍一下SPI这个协议，SPI算是众多协议里相对简单的.
本质：​串行外设接口​（Serial Peripheral Interface Bus，SPI）,这些只介绍最基础的SPI，QSPI暂时不做讨论（后续可能会补充）。由于速度快，经常有作大容量E方，SD卡等的通讯方式

第一原则：SPI通讯的核心是，同步发送,交换数据
SPI至少需要占用四个IO口（一主一从的情况）：

  • SCLK（Serial Clock）：时钟信号，由主机发出
  • MOSI（Master Output, Slave Input）：主机输出，从机输入信号（数据由主机发出）
  • MISO（Master Input, Slave Output）：主机输入，从机输出信号（数据由从机发出）
  • SS（PCS，CS, Slave Select）：片选信号，由主机发出，一般是低电位有效（当有多个从机时可以通过将对应SS引脚置低的方式来选择从机）

毕竟速度快，在资源方面就要做出一些让步。相比IIC就多占用两个IO口。

在接线方面是主机的MOSI接从机的MOSI；主机的MISO接从机的MISO；即同名引脚直接相连
下面直接通过云途YCT工具来看相关SPI外设的配置项
image
PCS是片选引脚，图中选择了PCS0，即在PCS0低电平时，选择对应的从机进行数据通讯
Pcs polarity 为极性
Bits/frame 一帧大小bits,一般来说都是设置成8位，比较常见的还有12位和16位
云途MCU帧长度设置比较灵活
image

下面就是经典的通过配置SPI的时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)：来选择四个模式
云途使用的这种表述方式也挺直观的
image
image
根据我的经验，选择CPHA==1的情况（偶尔边沿采样）通讯可能会稳定一些

默认是MSB，即高位先行

每次通信时，SPI 必须同时发送和接收数据。如果主机想读取从机数据，需要先发送占位字节（Dummy Data）。发送的数据按位（Bit）在 SCLK 的有效边沿传输。数据在时钟的采样边沿被接收并存储到接收寄存器中

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
//云途
status_t SPI_DRV_MasterTransfer(uint32_t instance,
const uint8_t *sendBuffer,
uint8_t *receiveBuffer,
uint16_t transferByteCount);
//国民技术
void SPI_Data_Transmit(uint16_t Data)

uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_Module* SPIx)
void SPI_I2S_TransmitData(SPI_Module* SPIx, uint16_t Data)

可以看到在有一些MCU的SPI里面send和receive没有独立的API，都是一个transmit

下面我来看一个例子：

同时收发数据通常出现在主设备（Master）在向从设备（Slave）发送某些命令或数据的同时，从设备也将状态或数据返回给主设备。

主设备（比如 MCU）需要从 SPI Flash 存储器中读取数据。

主设备需要发送一条命令来指定要读取的内存地址，同时从设备将指定地址的数据返回给主设备。

  1. 主设备发送“读取命令”（通常为一个字节，比如 0x03）。
  2. 主设备继续发送目标内存地址（通常是 3 个字节，比如 0x001234）。
  3. 同时，从设备在接收命令和地址时会返回无意义的占位数据（Dummy Data）。
  4. 地址发送完毕后，从设备会根据主设备生成的时钟信号，将存储器中指定地址的数据返回。

在这整个过程中：主设备发送数据时，同时接收数据。

最初接收的数据可能是无意义的占位数据，而后续接收的则是有意义的有效数据。

假设需要读取地址 0x001234 的数据：

1
2
主设备发送: 0x03  0x00  0x12  0x34  0xFF  0xFF  0xFF ...
从设备返回: 0xXX  0xXX  0xXX  0xXX  0x45  0x67  0x89 ...
  1. 0x03 是读取命令。
  2. 0x00 0x12 0x34 是要读取的地址。
  3. 0xFF 是主设备发送的占位数据，用于驱动时钟。
  4. 0x45 0x67 0x89 是从设备返回的有效数据。注意看是从设备给的

在阅读国民关于SPI的手册发现一个有趣的点，部分LCD屏通过SPI通讯时需要用到单线模式；其中双线单向模式可以同时使用MOSI及MISO数据线向一个方向传输数据，可以加快一倍的传输速度
1742624620335

我们在逻辑分析仪中取一段来分析一下
image
可以看到时钟线默认是低，即CPOL为0
在第一个边沿就开始采样了，即CPHA为0
所以会SCK信号的上升沿进行数据采样
MOSI的bits 为 0010 0001,接收到的数据是21，可以看出是高位优先的逻辑

暂时先写到这里，后续可能还会补充。笔者能力有限，有疏漏之处还请指出

参考文献:

1
2
3
4
国民技术032 DS，RM手册
N32 MCU SPI工作模式介绍
云途 SDK-SPI配置文档
https://mp.weixin.qq.com/s/999S2mw20iFcjvExbgzaiA
© 2020 - 2025    GaoSheng
本站由 提供部署服务