嵌入式SPI总线

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  这篇详细介绍嵌入式的SPI总线，方便以后写该总线的器件驱动。

一、SPI总线讲解

  SPI的主要构成有三根线，一个是数据输出线MOSI,一个是数据输入线MISO，一个是时钟线SCLK。

  SPI总线实现的方式分为两种：硬件IIC & 软件模拟SPI。硬件SPI有主从之分；当然，软件SPI也是标准的SPI协议，当然有分主从，但一般情况下，(MCU)软件SPI为主机模式，即发送请求接收从机的响应信息。

  可能大家不知道为什么我这MCU就是SPI主机，凭啥？你可以反过来想一下，MCU通讯的其他器件实质上都是从机，MCU要你的数据才会去找你；如果你MCU也是从机模式，从机与从机怎么通信？由于每种MCU的硬件SPI总线配置各不相同，故接下来主要讲 软件SPI。

  • SPI通信是串行同步全双工(同时收发)
  • IIC通信是串行同步半双工(单收或单发)
  • 无论是 硬件SPI 还是 软件SPI ，两种方式只是提供最基础的桥梁——提供了读、写1字节方式。如何调用IIC从器件，还是得查对应SPI从器件的datasheet。SPI总线好比中文的拼音，具体要怎么说话、说什么话，还是得看datasheet。

Ps：硬件SPI总线 & 软件SPI总线 速率方面是有点差距的。具体没有实测，但是既然是用了软件SPI总线，就不要纠结速度问题了。但是硬件SPI总线的速度也不是无上限的，而且还要根据主、从机的配置。

  以W5500为例，该芯片的SPI总线速率最高达到80Mhz。如果主控采用stm32f103,主频为72Mhz，SPI时钟最大为18Mhz。因此stm32f103无法发挥W5500完全的性能。

  而如果使用STM40x处理器，SPI时钟使用42Mhz，使用DMA方式，可以达到回环测试17Mbps的速率（收+发），单独发送可以达到13Mbps的速率。

  也就是说，SPI的速率本身就受器件限制。如果从机SPI时钟较低，主机被限制；主机时钟较低，从机性能被限制。编写硬件SPI驱动的时候，要多注意 主控芯片、从机器件 的datasheet。

二、(主机)软件SPI总线

  硬件上为4根线：

  • MISO ：主设备数据输入，从设备数据输出。
  • MOSI ：主设备数据输出，从设备数据输入。
  • SCLK ：时钟信号，由主设备产生。
  • CS ：从设备片选信号，由主设备控制。

Ps：外设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。

  由上图的(硬件)SPI通信协议可知，时钟信号的相位和极性，决定了获取数据的方式；2*2=4，于是有四种模式；

CPOL决定时钟空闲状态(1为空闲高电平，0为空闲低电平)

CPHA决定获取数据的时钟相位(1为延迟一个相位，第二次SCLK突变为空闲状态获取数据；0为直接相位，SCLK空闲状态突变时，直接获取数据)

  以上就是软件SPI的要点；实现具体的软件SPI，需要对器件的datasheet进行查阅，看是哪种模式。

模式 CPOL CPHA
MODE0 0 0
MODE1 0 1
MODE2 1 0
MODE3 1 1

下面简单列一个 CPOL=1，CPHA=1的SPI写操作

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/************************************************** 
函数：SOFT_SPI_RW() 
描述: 根据SPI协议，写一字节数据到从机，同时从从机 读出一字节
**************************************************/ 
u8 SOFT_SPI_RW(u8 byte) 
{ 
	u8 i,Temp=0; 
	for(i=0;i<8;i++)		// 循环8次 
	{ 
		SPI1_SCK = 0		//拉低时钟
		if(byte&0x80)
			SPI1_MOSI = 1;//若最到位为高，则输出高
 		else       	
			SPI1_MOSI = 0;//若最到位为低，则输出低 
		byte <<= 1;			//低一位移位到最高位 
		SPI1_SCK = 1;		//拉高时钟
		Temp <<= 1;			//数据左移 
		if(SPI1_MISO) 
			Temp++;			//若从从机接收到高电平，数据自加一
 		SPI1_SCK = 0;		//拉低时钟
	}
	return (Temp);			//返回数据 
}

2.1 FRAM_FM25L256为例——软件SPI

  FM25L256支持SPI模式的0和3，下面为CPOL=1，CPHA=1。基本的字节读写操作如下：

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/************************************************** 
* 函数名 :  FRAM_Write8bits
* 功  能 :  向存储器中写入一个字节
**************************************************/ 
static void FRAM_Write8bits(uint8_t u8Data)
{
    uint8_t i;

    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        FRAM_SCLK_L;
        if(u8Data & 0x80)         
            FRAM_SDI_H;
        else          
            FRAM_SDI_L;
        DelayTime(SPI_DELAY_TIME);
        FRAM_SCLK_H;
        u8Data <<= 1;
        DelayTime(SPI_DELAY_TIME);
    }
    FRAM_SCLK_L;
}

/************************************************** 
* 函数名 :  FRAM_Read8bits
* 功  能 :  从存储器中读出一个字节的数据
**************************************************/ 
static uint8_t FRAM_Read8bits(void)
{
    uint8_t i;
    uint8_t u8Data=0;
    
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        FRAM_SCLK_L;
        u8Data <<= 1;
        DelayTime(SPI_DELAY_TIME);
        FRAM_SCLK_H;
        if(FRAM_SDO_READ)
            u8Data |= 0x01;
        DelayTime(SPI_DELAY_TIME);
    }
    FRAM_SCLK_L;
    return  u8Data;
}

2.2 FRAM_FM25L256程序扩展——datasheet

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/************************************************** 
* 函数名 :  FRAM_Write16bits
* 功  能 :  发送16位数据
**************************************************/ 
static void FRAM_Write16bits(uint16_t u16Data)
{   
    uint32_t i;
    
    for(i = 0; i < 16; i++)
    {
        FRAM_SCLK_L;
        if(u16Data & 0x8000) 
            FRAM_SDI_H;
        else                 
            FRAM_SDI_L;
        DelayTime(SPI_DELAY_TIME);
        FRAM_SCLK_H;
        u16Data <<= 1;
        DelayTime(SPI_DELAY_TIME);
    }
    FRAM_SCLK_L;
}
/************************************************** 
* 函数名 :  FRAM_Write32bits
* 返  回 :  写入的32位数据
**************************************************/ 
static void FRAM_Write32bits(uint32_t u32Data)
{   
    uint32_t i;
    
    for(i = 0; i < 32; i++)
    {
        FRAM_SCLK_L;
        if(u32Data & 0x80000000) 
            FRAM_SDI_H;
        else              
            FRAM_SDI_L;
        DelayTime(SPI_DELAY_TIME);
        FRAM_SCLK_H;
        u32Data <<= 1;
        DelayTime(SPI_DELAY_TIME);
    }
    FRAM_SCLK_L;
}

/************************************************** 
* 函数名 :  FRAM_Read4Bytes
* 功  能 :  读取指定地址的4字节数据
* 入  参 :  address  : 读取数据的首地址
* 返  回 :  uint32_t : 读出的32位数据
**************************************************/ 
uint32_t FRAM_Read4Bytes(uint32_t address)
{
    uint32_t i = 0;
    uint32_t temp = 0;
    
    FRAM_SCLK_L;
    FRAM_CS_L;
    FRAM_Write8bits(FRAM_CMD_READ);
    FRAM_Write16bits((uint16_t)(address));
    for(i = 0; i < 4; i++)
    {
        temp  = temp << 8;
        temp |= FRAM_Read8bits();
    }
    FRAM_SCLK_L;
    FRAM_CS_H;
    
    return temp;
}

/************************************************** 
* 函数名 :  FRAM_Write4Bytes
* 功  能 :  写入指定地址的4字节数据
* 入  参 :  address  : 写入数据的首地址
*           FramData : 写入的32位数据
**************************************************/ 
void FRAM_Write4Bytes(uint32_t address, uint32_t FramData)
{
    uint8_t u8Temp = 0;
    
    FRAM_SCLK_L;
    FRAM_CS_L;
    FRAM_Write8bits(FRAM_CMD_WREN);
    FRAM_SCLK_L;
    FRAM_CS_H;
    
    FRAM_SCLK_L;
    FRAM_CS_L;
    FRAM_Write8bits(FRAM_CMD_WRITE);
    FRAM_Write16bits((uint16_t)(address));
    FRAM_Write32bits(FramData);
    FRAM_SCLK_L;
    FRAM_CS_H;
    
    while(1)
    {
        FRAM_SCLK_L;
        FRAM_CS_L;
        FRAM_Write8bits(FRAM_CMD_RDSR);	//读取状态寄存器
        u8Temp = FRAM_Read8bits();
        FRAM_SCLK_L;
        FRAM_CS_H;
		
		//该位表示写入启用状态(为0时，WPEN和 /WP 寄存器标志位不起作用)
		//防止软件误改动铁电芯片寄存器配置
        if(!(u8Temp & 0x02))	
        {
            break;
        }
    }
}
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