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简介
SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议 (Serial Peripheral Interface)#xff0c;即串行外围设备接口#xff0c;是 一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间#xff0c;要求通讯速率 较高的场合。
SPI 物理层
SPI 通讯…1、SPI协议
简介
SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议 (Serial Peripheral Interface)即串行外围设备接口是 一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、LCD 等设备与 MCU 间要求通讯速率 较高的场合。
SPI 物理层
SPI 通讯使用 3 条总线及片选线3 条总线分别为 SCK、MOSI、MISO片选线为 SS。 1、SS*(* Slave Select)从设备选择信号线常称为片选信号线也称为 NSS、CS。 2、SCK (Serial Clock)时钟信号线用于通讯数据同步。它由通讯主机产生决定了通讯的速率不同的设备支持的最高时钟频率不一样如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为 fpclk/2两个设备之间通讯时通讯速率受限于低速设备。 3、MOSI (Master OutputSlave Input)主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出从机由这条信号线读入主机发送的数据即这条线上数据的方向为主机到从机。 4、MISO(Master Input,Slave Output)主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信线读入数据 从机的数据由这条信号线输出到主机即在这条线上数据的方向为从机到主机。
协议层
与 I2C 的类似SPI 协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。
时序图 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。
通讯的起始和停止信号
在图中的标号处**NSS 信号线由高变低是 SPI 通讯的起始信号**。 NSS 是每个从机各自独占的信号线当从机在自己的 NSS 线检测到起始信号后就知道自己被主机选了开始准备与主机通讯。在图中的标号处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。
数据有效性
1、SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据使用 SCK 信号线进行数据同步。 2、MOSI 及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据且数据输入输出是同时进行的。数据传输时MSB先行或 LSB 先行并没有作硬性规定但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定一般都会采用图 中的 MSB 先行模式。 3、观察图中的标号处MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的上升沿期间变化输出在 SCK 的下降沿时被采样。即在 SCK 的下降沿时刻MOSI 及 MISO 的数据有效高电平时表示数据“1”为低电平时表示数据“0”。在其它时刻数据无效MOSI 及 MISO 为下一次表示数据做准备。 4、SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位每次传输的单位数不受限制。
CPOL/CPHA 及通讯模式 STM32 SPI系统架构
STM32 的 SPI 外设可用作通讯的主机及从机支持最高的 SCK 时钟频率为 fpclk/2 (STM32F103 型 号的芯片默认 f:sub:pclk1 为 42MHz40745Mhz(429)fpclk2 为 84MHz(407) 90Mhz(429))完全支持 SPI 协议的 4 种模式数据帧长度可设置为 8 位或 16 位可设置数据 MSB 先行或 LSB 先行。它还支持双线全双工 (前面小节说明的都是这种模式)、双线单向以及单线模式。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。而单线模式则可以减少硬件接线当然这样速率会受到影响。我们只讲解双线全双工模式。
2、SPI使用
HAL库SPI结构体成员
/*** brief SPI handle Structure definition*/
typedef struct __SPI_HandleTypeDef
{SPI_TypeDef *Instance; /*! SPI registers base address */SPI_InitTypeDef Init; /*! SPI communication parameters */uint8_t *pTxBuffPtr; /*! Pointer to SPI Tx transfer Buffer */uint16_t TxXferSize; /*! SPI Tx Transfer size */__IO uint16_t TxXferCount; /*! SPI Tx Transfer Counter */uint8_t *pRxBuffPtr; /*! Pointer to SPI Rx transfer Buffer */uint16_t RxXferSize; /*! SPI Rx Transfer size */__IO uint16_t RxXferCount; /*! SPI Rx Transfer Counter */void (*RxISR)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! function pointer on Rx ISR */void (*TxISR)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! function pointer on Tx ISR */DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /*! SPI Tx DMA Handle parameters */DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /*! SPI Rx DMA Handle parameters */HAL_LockTypeDef Lock; /*! Locking object */__IO HAL_SPI_StateTypeDef State; /*! SPI communication state */__IO uint32_t ErrorCode; /*! SPI Error code */#if (USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS 1U)void (* TxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI Tx Completed callback */void (* RxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI Rx Completed callback */void (* TxRxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI TxRx Completed callback */void (* TxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI Tx Half Completed callback */void (* RxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI Rx Half Completed callback */void (* TxRxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI TxRx Half Completed callback */void (* ErrorCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI Error callback */void (* AbortCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI Abort callback */void (* MspInitCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI Msp Init callback */void (* MspDeInitCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); /*! SPI Msp DeInit callback */#endif /* USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS */
} SPI_HandleTypeDef;HAL库函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi); //初始化函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DeInit(SPI_HandleTypeDef *hspi); //默认初始化函数
__weak void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi); //初始化回调函数
__weak void HAL_SPI_MspDeInit(SPI_HandleTypeDef *hspi); //默认初始化回调函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); //发送函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); //接收函数
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size,uint32_t Timeout); //接收发送
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); //中断发送
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size) //中断接收
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size,uint32_t Timeout); //中断接收发送
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Transmit_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size); //DMA发送
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Receive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pData, uint16_t Size) //DMA接收
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData,uint16_t Size); //DMA发送接收
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Abort(SPI_HandleTypeDef *hspi); //我不知道干啥的知道的给我说字面意思说是中止SPI。
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Abort_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi); // 我不知道干啥的
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAPause(SPI_HandleTypeDef *hspi); //暂停DMA
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DMAStop(SPI_HandleTypeDef *hspi); //停止DMA
void HAL_SPI_IRQHandler(SPI_HandleTypeDef *hspi); //中断服务函数
HAL_SPI_StateTypeDef HAL_SPI_GetState(SPI_HandleTypeDef *hspi); //获取SPI状态函数
uint32_t HAL_SPI_GetError(SPI_HandleTypeDef *hspi); //获取SPI错误代码函数
__weak void HAL_SPI_RxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi); //接收完成回调
__weak void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi); //发送完成回调
__weak void HAL_SPI_ErrorCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi); //错误回调
3、QSPI协议
QSPI是Queued SPI的简写是Motorola公司推出的SPI接口的扩展比SPI应用更加广泛。在SPI协议的基础上Motorola公司对其功能进行了增强增加了队列传输机制推出了队列串行外围接口协议即QSPI协议。QSPI 是一种专用的通信接口连接单、双或四条数据线 SPI Flash 存储介质。 STM32上加 QUADSPI。 1、间接模式在这个模式下所有的操作都是通过QSPI寄存器来执行的。这意味着数据的传输和接收都需要通过寄存器来进行中转。 2、状态轮询模式在这种模式下外部Flash的状态寄存器会被周期性地读取当某些标志位如擦除或烧写完成的标志位置为1时会产生中断从而通知控制器进行相应的处理。 3、内存映射模式在内存映射模式下外部Flash被映射到微控制器的地址空间系统将其视为内部存储器的一部分。这种方式可以让处理器直接访问Flash存储空间就像访问内部RAM一样。 QSPI通常使用6个信号线连接Flash包括四个数据线BK1_IO0~BK1_IO3、一个时钟输出CLK和一个片选输出低电平有效BK1_nCS。这些信号线的作用是实现与SPI Flash存储介质的通信。 采用双闪存模式时将同时访问两个 Quad-SPI Flash吞吐量和容量均可提高二倍。
QSPI功能框图 1、BK1_nCS片选输出低电平有效适用于 FLASH 1。如果 QSPI 始终在双闪存模式下工 作则其也可用于 FLASH 2 从设备选择信号线。QSPI 通讯以 BK1_nCS 线置低电平为开始信号以 BK1_nCS 线被拉高作为结束信号。 2、CLK时钟输出适用于两个存储器用于通讯数据同步。它由通讯主机产生决定了通讯的速率不同的设备支持的最高时钟频率不一样如 STM32 的 QSPI 时钟频率最大为 fpclk/2两个设备之间通讯时通讯速率受限于低速设备。 3、BK1_IO0在双线 / 四线模式中为双向 IO单线模式中为串行输出适用于 FLASH 1。 4、BK1_IO1在双线 / 四线模式中为双向 IO单线模式中为串行输入 5、BK1_IO2在四线模式中为双向 IO 6、BK1_IO3在四线模式中为双向 IO
QSPI命令序列
QUADSPI 通过命令与 Flash 通信每条命令包括指令、地址、交替字节、空指令和数据这五个阶段任一阶段均可跳过但至少要包含指令、地址、交替字节或数据阶段之一。nCS 在每条指令开始前下降在每条指令完成后再次上升。
QSPI命令序列时序
四线模式读命令时序
QUADSPI 信号接口协议模式
1、单线SPI模式 2、双线SPI模式 3、四线SPI模式 以上模式在这有介绍慢慢看。 4、SDR模式 5、DDR模式 6、双闪存模式
QSPI使用
QSPI HAL库 结构体
/*** brief QSPI Handle Structure definition*/
#if (USE_HAL_QSPI_REGISTER_CALLBACKS 1)
typedef struct __QSPI_HandleTypeDef
#else
typedef struct
#endif
{QUADSPI_TypeDef *Instance; /* QSPI registers base address */QSPI_InitTypeDef Init; /* QSPI communication parameters */uint8_t *pTxBuffPtr; /* Pointer to QSPI Tx transfer Buffer */__IO uint32_t TxXferSize; /* QSPI Tx Transfer size */__IO uint32_t TxXferCount; /* QSPI Tx Transfer Counter */uint8_t *pRxBuffPtr; /* Pointer to QSPI Rx transfer Buffer */__IO uint32_t RxXferSize; /* QSPI Rx Transfer size */__IO uint32_t RxXferCount; /* QSPI Rx Transfer Counter */MDMA_HandleTypeDef *hmdma; /* QSPI Rx/Tx MDMA Handle parameters */__IO HAL_LockTypeDef Lock; /* Locking object */__IO HAL_QSPI_StateTypeDef State; /* QSPI communication state */__IO uint32_t ErrorCode; /* QSPI Error code */uint32_t Timeout; /* Timeout for the QSPI memory access */
#if (USE_HAL_QSPI_REGISTER_CALLBACKS 1)void (* ErrorCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* AbortCpltCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* FifoThresholdCallback)(struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* CmdCpltCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* RxCpltCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* TxCpltCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* StatusMatchCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* TimeOutCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* MspInitCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);void (* MspDeInitCallback) (struct __QSPI_HandleTypeDef *hqspi);
#endif
}QSPI_HandleTypeDef;
其它功能结构体
/*** brief QSPI Command structure definition*/
typedef struct
{uint32_t Instruction; /* Specifies the Instruction to be sentThis parameter can be a value (8-bit) between 0x00 and 0xFF */uint32_t Address; /* Specifies the Address to be sent (Size from 1 to 4 bytes according AddressSize)This parameter can be a value (32-bits) between 0x0 and 0xFFFFFFFF */uint32_t AlternateBytes; /* Specifies the Alternate Bytes to be sent (Size from 1 to 4 bytes according AlternateBytesSize)This parameter can be a value (32-bits) between 0x0 and 0xFFFFFFFF */uint32_t AddressSize; /* Specifies the Address SizeThis parameter can be a value of ref QSPI_AddressSize */uint32_t AlternateBytesSize; /* Specifies the Alternate Bytes SizeThis parameter can be a value of ref QSPI_AlternateBytesSize */uint32_t DummyCycles; /* Specifies the Number of Dummy Cycles.This parameter can be a number between 0 and 31 */uint32_t InstructionMode; /* Specifies the Instruction ModeThis parameter can be a value of ref QSPI_InstructionMode */uint32_t AddressMode; /* Specifies the Address ModeThis parameter can be a value of ref QSPI_AddressMode */uint32_t AlternateByteMode; /* Specifies the Alternate Bytes ModeThis parameter can be a value of ref QSPI_AlternateBytesMode */uint32_t DataMode; /* Specifies the Data Mode (used for dummy cycles and data phases)This parameter can be a value of ref QSPI_DataMode */uint32_t NbData; /* Specifies the number of data to transfer. (This is the number of bytes)This parameter can be any value between 0 and 0xFFFFFFFF (0 means undefined lengthuntil end of memory)*/uint32_t DdrMode; /* Specifies the double data rate mode for address, alternate byte and data phaseThis parameter can be a value of ref QSPI_DdrMode */uint32_t DdrHoldHalfCycle; /* Specifies if the DDR hold is enabled. When enabled it delays the dataoutput by one half of system clock in DDR mode.This parameter can be a value of ref QSPI_DdrHoldHalfCycle */uint32_t SIOOMode; /* Specifies the send instruction only once modeThis parameter can be a value of ref QSPI_SIOOMode */
}QSPI_CommandTypeDef;/*** brief QSPI Auto Polling mode configuration structure definition*/
typedef struct
{uint32_t Match; /* Specifies the value to be compared with the masked status register to get a match.This parameter can be any value between 0 and 0xFFFFFFFF */uint32_t Mask; /* Specifies the mask to be applied to the status bytes received.This parameter can be any value between 0 and 0xFFFFFFFF */uint32_t Interval; /* Specifies the number of clock cycles between two read during automatic polling phases.This parameter can be any value between 0 and 0xFFFF */uint32_t StatusBytesSize; /* Specifies the size of the status bytes received.This parameter can be any value between 1 and 4 */uint32_t MatchMode; /* Specifies the method used for determining a match.This parameter can be a value of ref QSPI_MatchMode */uint32_t AutomaticStop; /* Specifies if automatic polling is stopped after a match.This parameter can be a value of ref QSPI_AutomaticStop */
}QSPI_AutoPollingTypeDef;/*** brief QSPI Memory Mapped mode configuration structure definition*/
typedef struct
{uint32_t TimeOutPeriod; /* Specifies the number of clock to wait when the FIFO is full before to release the chip select.This parameter can be any value between 0 and 0xFFFF */uint32_t TimeOutActivation; /* Specifies if the timeout counter is enabled to release the chip select.This parameter can be a value of ref QSPI_TimeOutActivation */
}QSPI_MemoryMappedTypeDef;
