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SPI控制器

SPI控制器原理

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上图展示了STM32F4系列的SPI控制器框图。由波特率发生器产生时间信号，逻辑控制器进行MOSI和MISO控制，并产生片选信号。同时由Tx Rx两个缓冲寄存器+移位寄存器构成发送模块。控制寄存器主要有SPI_CR1，SPI_CR2，BR。

发送流程

  1. 数据写入Tx Buffer
  2. Tx Buffer内的的数据填入移位寄存器
  3. 移位寄存器逐个bit发至MOSI线
  4. 发送完毕，SPI_SR TXE寄存器置位

接收流程

  1. 数据写入移位寄存器
  2. 移位寄存器写入 Rx Buffer
  3. 接收完成，SPI_SR EXNE置位
  4. 读取Rx Buffer内的内容

片选信号

在SPI_CR1寄存器中的SSI信号即是该控制器内的片选信号发生器。可通过配置SPI_CR1 SSM寄存器来决定该信号是否对外输出。以此实现不同的片选效果。在NSS对外输出时，配置SPI_CR1 SSOE寄存器又可定义两种不同的硬件管理模式

STM32的SPI控制器支持三种片选模式：

  • 软件管理：（SSM=1）外部NSS引脚空闲，可复用其他功能。自定义GPIO通过写高低电平实现片选
  • 硬件管理（输出使能模式，SSM=0 SSOE=1）:STM32此时为通信主机。当主器件开始通信时，NSS 信号驱动 为低电平，并保持到 SPI 被关闭为止。
  • 硬件管理（输出禁止模式，SSM=0 SSOE=0）：若STM32此时作为从机模式，则NSS引脚为从机片选输入。若STM32此时作为主机模式，此模式是多主机配置，多主多从SPI极少使用，此处不详细介绍。

时钟极性CPOL

  • 0：SCK在空闲时低电平，第一边沿为由低变高
  • 1：SCK在空闲时高电平，第一边沿为由高变低

时钟相位CPHA

  • 0：SCK在第一（奇数）边沿进行采样
  • 1：SCK在第二（偶数）边沿进行采样

时钟极性和相位通常使用00（CPOL=0,CPHA=0）或11的组合。

在使用SPI时，必须讲对应GPIO的引脚设置为复用模式。当在MspInit中进行设置。

SPI相关寄存器

SPI_CR1寄存器

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位 15 BIDIMODE：双向通信数据模式使能 (Bidirectional data mode enable)

  • 0：选择双线单向通信数据模式
  • 1：选择单线双向通信数据模式

位 14 BIDIOE：双向通信模式下的输出使能 (Output enable in bidirectional mode)

此位结合 BIDIMODE 位，用于选择双向通信模式下的传输方向

  • 0：禁止输出（只接收模式）
  • 1：使能输出（只发送模式）

注意：在主模式下，使用 MOSI 引脚；在从模式下，使用 MISO 引脚

位 13 CRCEN：硬件 CRC 计算使能 (Hardware CRC calculation enable)

  • 0：禁止 CRC 计算

  • 1：使能 CRC 计算

注意：为确保正确操作，只应在禁止 SPI（SPE =“0”）时对此位执行写操作

位 12 CRCNEXT：下一次传输 CRC (CRC transfer next)

  • 0：数据阶段（无 CRC 阶段）

  • 1：下一次传输为 CRC（CRC 阶段）

注意：当 SPI 配置为全双工或只发送模式时，只要最后一个数据写入 SPI_DR 寄存器，就必须对 CRCNEXT 执行写操作。 当 SPI 配置为只接收模式时，必须在接收到倒数第二个数据之后将 CRCNEXT 置 1。 当传输由 DMA 管理时，此位应保持清零状态。

位 11 DFF：数据帧格式 (Data frame format)

  • 0：为发送/接收选择 8 位数据帧格式

  • 1：为发送/接收选择 16 位数据帧格式

注意：为确保正确操作，只应在禁止 SPI（SPE =“0”）时对此位执行写操作

位 10 RXONLY：只接收 (Receive only)

此位结合 BIDIMODE 位，用于选择双线单向模式下的传输方向。此位也适用于多从模式系 统，在此类系统中，不会访问特定从器件，也不会损坏访问的从器件的输出。

  • 0：全双工（发送和接收）

  • 1：关闭输出（只接收模式）

位 9 SSM：软件从器件管理 (Software slave management)

当 SSM 位置 1 时，NSS 引脚输入替换为 SSI 位的值。

  • 0：禁止软件从器件管理

  • 1：使能软件从器件管理

位 8 SSI：内部从器件选择 (Internal slave select)

仅当 SSM 位置 1 时，此位才有效。此位的值将作用到NSS引脚上，并忽略 NSS 引脚的 IO 值。

位 7 LSBFIRST：帧格式 (Frame format)

  • 0：先发送 MSB

  • 1：先发送 LSB

注意：正在通信时不应更改此位。

位 6 SPE：SPI 使能 (SPI enable)

  • 0：关闭外设

  • 1：使能外设

注意：2- 关闭 SPI 时，需按照后续介绍的指定步骤操作。

位 5:3 BR[2:0]：波特率控制 (Baud rate control)

  • 000: fPCLK/2
  • 100: fPCLK/32
  • 001: fPCLK/4
  • 010: fPCLK/8
  • 011: fPCLK/16
  • 101: fPCLK/64
  • 110: fPCLK/128
  • 111: fPCLK/256

注意：正在通信时不应更改这些位。

位 2 MSTR：主模式选择 (Master selection)

  • 0：从配置

  • 1：主配置

注意：正在通信时不应更改此位。

位1 CPOL：时钟极性 (Clock polarity)

  • 0：空闲状态时，SCK保持低电平

  • 1：空闲状态时，SCK保持高电平

位 0 CPHA：时钟相位 (Clock phase)

  • 0：从第一个时钟边沿开始采样数据

  • 1：从第二个时钟边沿开始采样数据 注意：正在通信时不应更改此位。

SPI_CR2寄存器

配置SPI的步骤

主机

从机