嵌入式面试必备知识点-SPI

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以下文章摘自微信#公众号开源电子网《嵌入式面试必备知识点-SPI》
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一、SPI概述

    SPI (Serial Peripheralinterface),顾名思义就是串行外围设备接口。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器。

    打开STM32F103手册，找到SPI的结构框图，了解它的大致功能，如以下图所示：




    关于SPI协议，那么我们理解一句话即可。SPI的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节;反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

    主机与从机连接关系图：



    一个GIF描述关于SPI传输过程：SPI可以指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:例如数据传输从MSB位开始：


                     （动态图演示）

    上述GIF可知：当一个上升沿来临时，MOSI发送主机的最高位MSB为1，而MISO是由从机发出为1，然后等价交换。注意：上述SPI的GIF使用的是SPI模式1，SPI不一定是由上升沿为数据采样，是由SPI模式决定，上述GIF的MSB代表移位寄存器的最高位，由此类推，我们得到以下表格：



    注意：上述图中的颜色以及MSB为串行缓冲区的最高位

二、SPI引脚信息

    MISO：主设备数据输入，从设备数据输出，简单来讲：从机发数据到串行总线上或者主机接收总线的数据。

    MOSI ：主设备数据输出，从设备数据输入，简单来讲：主机发数据到串行总线上或者从机接收总线的数据。

    SCLK ：时钟信号，由主设备产生，数据发送时，必须有方波输出，没有数据时，不会有方波输出。

    CS：从设备片选信号，由主设备控制。简单来讲：主机发送数据到那个从机，如果CS为低电平就是使能该从机，否则除能该从机。

三、SPI工作模式


    SPI的工作模式：是由CPOL(时钟极性)和CPHA(时钟相位)相关。


    时钟极性(CPOL)：指通讯设备处于空闲状态(SPI开始通讯前、nSS线无效)时，SCK的状态。

    CPOL = 0：SCK在空闲时为低电平。

    CPOL = 1：SCK在空闲时为高电平。

    前面小编说了，如果从机没有数据发送或者主机没有数据发送，那么SCK不会有方波输出，SCK在空闲状态为低电平或者高电平是由时钟极性(CPOL)决定。

    时钟相位(CPHA)：指数据的采样时刻位于SCK的偶数边沿采样还是奇数边沿采样。

    CPHA = 0：在SCK的奇数边沿采样。

    CPHA = 1：在SCK的偶数边沿采样。

    由上述CPOL(时钟极性)和CPHA(时钟相位)可知：SPI模式一共分为四种，如以下图所示：


    注意：上述图片红色部分：SPI模式0时，空闲状态时候SCLK为低电平，如果需要数据采样那么SCLK输出一个方波，那么该方波是奇数边沿时刻，采样边沿为上升沿。

    SPI模式1时，空闲状态时候SCLK为低电平，如果需要数据采样那么SCLK输出一个方波，那么该方波是偶数边沿时刻，采样边沿为下降沿。

    SPI模式2时，空闲状态时候SCLK为高电平，如果需要数据采样那么SCLK输出一个方波，那么该方波是奇数边沿时刻，采样边沿为下降沿。

    SPI模式3时，空闲状态时候SCLK为高电平，如果需要数据采样那么SCLK输出一个方波，那么该方波是偶数边沿时刻，采样边沿为上升沿。



四、SPI实验

    例如：CPOL =0 和CPHA =0为例，其他模式一样的原理，SCL空闲时候为低电平，奇数边沿上升沿采样，那么下降沿接收数据，如果两块STM32的SPI1相连，如以下图所示：



    主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过想它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。

    主机的串行移位寄存器通过MOSI线将字节传输给从机，同时从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO线传输给主机。这样两个移位寄存器的内容就被交换了。

    外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只想进行写操作，主机只需忽略接收的字节。如果只想进行读操作，也必须发送一个字节(可以是空字节)来引发从机传输。

    那么它们都具有一个串行移位寄存器，例如主机串行缓冲区数据为0xAA,那么发送从机的数据为0xaa就是10101010二进制，如果从机的串行缓冲区数据的数据为0x9F,转成二进制为10011111，所以我们得到下图所示：





总结

前面我们已经说了CPOL设置为0，所以SCLK空闲状态为低电平，如果没有数据发送，那么SCLK一直为低电平。

当主机发送数据时，SCLK一直为低电平转为输出一个方波，注意是八个脉冲，由于CPHA 设置为 0，所以奇数边沿，上升沿有效，所以数据采样在上升沿，当发送完成时，MOSI转成高电平。

NSS为低电平有效，主要使能从机。

主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输

串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，同时从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换;