8.SPI 模塊介紹

串行外設接口（Serial Peripheral Interface，縮寫為 SPI） 提供了基于SPI 協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能， 可以工作于主機或從機模式。 SPI 接口支持具有硬件 CRC 計算和校驗的全雙工和單工模式。

8.1.SPI 基礎知識

SPI 物理層

SPI接口采用主從模式（Master Slave）架構(gòu)；支持一主一從模式和一主多從模式，但不支持多主模式。它是一種同步高速全雙工的通信總線，總體結(jié)構(gòu)如下圖常見的SPI通訊系統(tǒng)所示。

一個主機連接四個從機，其中一個SPI總線一般有四個信號分為：

SCLK：時鐘信號，由主機產(chǎn)生并控制。

MOSI：主機數(shù)據(jù)輸出，從機數(shù)據(jù)輸入。

MISO：主機數(shù)據(jù)輸入，從機數(shù)據(jù)輸出。

SS/NSS：從機片選使能信號，由主機控制。在一主對多從的模式下，每一個從機都需要獨占一個SS，也就是說有多少個從機就有多少個片選信號。

SPI 協(xié)議層

SPI的協(xié)議定義了通信的起始信號、停止信號、數(shù)據(jù)有效性、時鐘同步等環(huán)節(jié)。下面我們分析一下兩個設備通過SPI總線通信的過程，SPI通信時序圖如下圖通訊時序所示：

SPI 通訊時序

這個是一個主機的通信時序，信號線 NSS、SCK、MOSI 都是由主機控制，MISO 是由從機進行控制。其中 MOSI 和 MISO 上的數(shù)據(jù)僅在 NSS 為低時才有效，并且每個SCK 時鐘周期只交換一位數(shù)據(jù)。

起始信號和停止信號：如_SPI通訊時序圖_中①和⑥分別表示通信的起始和結(jié)束，這些信號的產(chǎn)生是通過主機將片選信號(NSS)置低和置高實現(xiàn)的。NSS 除了是開始和結(jié)束信號的產(chǎn)生者，它也是主機和從機通信的選擇者，當一個主機對多個從機通信時，主機通過置低從機的 NSS 信號線來選擇與哪個從機進行通信。

時鐘同步：SPI 總線是一個同步全雙工的通信總線，所以 SPI 的數(shù)據(jù)傳輸是需要 SCK 時鐘信號嚴格同步的，每一個 SCK 周期只傳輸一位數(shù)據(jù)，這一個周期里要完成數(shù)據(jù)的準備和采樣，且數(shù)據(jù)的輸入和輸出是同時進行的。MSB 先行或 LSB先行協(xié)議中是沒有硬性規(guī)定，只需通信雙方保持統(tǒng)一即可。SPI 每次數(shù)據(jù)傳輸可以是 8 位或 16 位為單位，每次傳輸?shù)膯挝粩?shù)不受限制。

數(shù)據(jù)有效性：SPI 在 SCK 時鐘的同步下進行數(shù)據(jù)的準備和采樣，過程如圖 1-2 的②③④⑤所示。在 NSS 為低的情況時，在 SCK 的上升沿時 MISO 和 MOSI 進行數(shù)據(jù)準備，SCK 的下降沿時讀取 MISO 和 MOSI 上的數(shù)據(jù)。在 NSS 為高時，MISO 和MOSI 上的數(shù)據(jù)無效。

SPI 工作模式：如_SPI通訊時序圖_只是 SPI 的一種工作模式，SPI 一共有四種工作模式。他們的區(qū)別是總線空閑時 SCK 的電平狀態(tài)和數(shù)據(jù)采樣時刻。這四種模式的配置是通過配置“時鐘極 性 CKPL”和“時鐘相位 CKPH”的電平來實現(xiàn)的。

1. CKPL=0 時，SCK 引腳在空閑狀態(tài)保持低電平；

2. CKPL=1 時，SCK 引腳在空閑狀態(tài)保持高電平；

3. CKPH=0 時，SCK 時鐘的第一個邊沿進行采樣；

4. CKPH =1 時，SCK 時鐘的第二個邊沿進行采樣。

四種模式如下圖SPI通訊模式所示：

SPI 數(shù)據(jù)傳輸流程

前面我們了解了SPI協(xié)議的物理連接方式和SPI的具體協(xié)議和SPI的四種工作模式，下面我們從整體上分析一下SPI通信的流程。通過前面的內(nèi)容可知，在一個SCK周期內(nèi)，SPI會完成如下操作：

1. 主機通過MOSI線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，從機通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)。

2. 從機通過MISO線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，主機通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)。

這是通過移位寄存器來實現(xiàn)的。如下圖所示，主機和從機各有一個移位寄存器，且二者連接成環(huán)。隨著時鐘脈沖，數(shù)據(jù)按照從高位到低位的方式依次移出主機寄存器和從機寄存器，并且依次移入從機寄存器和主機寄存器。當寄存器中的內(nèi)容全部移出時，相當于完成了兩個寄存器內(nèi)容的交換。通信流程如圖所示：

8.2.GD32 SPI 外設原理簡介

因篇幅有限，本文無法詳細介紹GD32所有系列SPI外設接口，下面以GD32F30x為列，著重介紹下GD32F30x的SPI外設簡介和結(jié)構(gòu)框圖，后介紹下各個系列的差異。

GD32 SPI 主要特性

? 具有全雙工和單工模式的主從操作；

? 16位寬度，獨立的發(fā)送和接收緩沖區(qū)；

? 8位或16位數(shù)據(jù)幀格式；

? 低位在前或高位在前的數(shù)據(jù)位順序；

? 軟件和硬件NSS管理；

? 硬件CRC計算、發(fā)送和校驗；

? 發(fā)送和接收支持DMA模式；

? 支持SPI TI模式；

? 支持SPI NSS脈沖模式；

? 支持SPI四線功能的主機模式（僅在SPI0中）。

GD32的SPI外設還支持I2S功能，I2S功能是一種音頻串行通訊協(xié)議，如果需要學習請參考各個系列的User_Manual，本文不做過多的介紹。

SPI 結(jié)構(gòu)框圖介紹

SPI 通訊模式

通訊引腳：如_SPI通訊模式圖_的①所示，GD32硬件接口SCK、NSS、MOSI、MISO為標準的SPI協(xié)議的四條信號線；IO2、IO3為GD32的SPI四線模式使用到的引腳，分別為：發(fā)送或接收數(shù)據(jù)2線和3線（在GD32F30x中僅SPI0支持四線主機模式）。各個系列的SPI個數(shù)不同，SPI接口和芯片I/O口的對應關系，可查閱各個系列的Datasheet。

時鐘生成器：如_SPI通訊模式圖_的②所示，SCK線的時鐘信號，是由波特率發(fā)生器根據(jù)“控制寄存器0（SPI_CTL0）”中的PSC[2:0]位控制的。具體分頻選擇如下

000：PCLK/2 100：PCLK/32

001：PCLK/4 101：PCLK/64

010：PCLK/8 110：PCLK/128

011：PCLK/16 111：PCLK/256

當使用SPI0時，PCLK=PCLK2，當使用SPI1和SPI2時，PCLK=PCLK1。

數(shù)據(jù)通訊單元：如_SPI通訊模式圖_的③所示，SPI的MOSI及MISO都連接到數(shù)據(jù)移位寄存器上，數(shù)據(jù)移位寄存器的數(shù)據(jù)來源及目標接收、發(fā)送緩沖區(qū)以及MISO、MOSI線。當向外發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，數(shù)據(jù)移位寄存器以“發(fā)送緩沖區(qū)”為數(shù)據(jù)源，把數(shù)據(jù)一位一位地通過數(shù)據(jù)線發(fā)送出去；當從外部接收數(shù)據(jù)的時候，數(shù)據(jù)移位寄存器把數(shù)據(jù)線采樣到的數(shù)據(jù)一位一位地存儲到“接收緩沖區(qū)”中。

通過寫SPI的“數(shù)據(jù)寄存器（SPI_DATA）”把數(shù)據(jù)填充到發(fā)送緩沖區(qū)中，通訊讀“數(shù)據(jù)寄存器（SPI_DATA）”，可以獲取接收緩沖區(qū)中的內(nèi)容。其中數(shù)據(jù)幀長度可以通過“控制寄存器0（SPI_CTL0）”的“FF16位”配置成8位及16位模式；配置“LF位”可選擇MSB先行還是LSB先行。

下面以SPI作為主機MSB先行收發(fā)數(shù)據(jù)來分析一下通訊流程：

1. 控制NSS信號線進入低電平，選中從器件發(fā)出通信開始信號；

2. 檢查“發(fā)送緩沖區(qū)”是否為空（SPI_STAT的TBE是否為1），如果為空，將所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入“發(fā)送緩沖區(qū)”；

3. “發(fā)送緩沖區(qū)”里的數(shù)據(jù)一次性寫入“移位寄存器”，一旦“發(fā)送緩沖區(qū)”里的數(shù)據(jù)寫入“移位寄存器”SPI通信正式開始；

4. “移位寄存器”通過MOSI信號線從高位一位一位的發(fā)送到接收方，由于SPI的通信時全雙工的，所以MOSI每發(fā)出一位MISO就接收一位存入移位寄存器；

5. 直到一個數(shù)據(jù)單元發(fā)完(數(shù)據(jù)單元大小8位/16位可配置)?！耙莆患拇嫫鳌崩锝邮栈貋淼臄?shù)據(jù)將一次性寫入“接收緩沖區(qū)”，這時SPI_STAT的RBNE位將置1。也就是說“接收緩沖區(qū)”已有數(shù) 據(jù)。這時就可以讀取數(shù)據(jù)了。

6. 如果要發(fā)多組數(shù)據(jù)或者收多組數(shù)據(jù)，只需重復第2,3,4,5步。注意如果只收不發(fā)時，只需發(fā)送0xFF即可；

7. 當所有數(shù)據(jù)都通信完成控制NSS信號進入高電平，通信正式結(jié)束。

各系列 SPI 功能差異

GD32系列MCU有關SPI外設各系列功能差異如下表所示

8.3.硬件連接說明

SPI 串行 Flash 硬件連接圖

如圖所示，為典型的SPI外設硬件連接圖：GD25Q40是一種使用 SPI通訊協(xié)議的NOR FLASH存儲器，它的CS/SCLK/SI/SO引腳分別連接到了GD32對應的SPI引腳NSS/SCK/MOSI/MISO上，其中GD32的NSS引腳是一個普通的GPIO，不是SPI的專用NSS引腳，所以程序中我們要使用軟件控制的方式。若硬件設計中為SPI_NSS可以程序里可以配置為硬件控制方式。

讀者可以根據(jù)典型硬件連接圖和相應系列的Datasheet設計出自己的硬件連接方式。

8.4.軟件配置說明

本小節(jié)講解SPI_Example歷程中SPI模塊的配置說明，主要包括外設時鐘配置、GPIO引腳配置、SPI外設配置、主函數(shù)介紹以及運行結(jié)果。本例程主要介紹GD32 MCU各系列SPI0模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送，有關SPI其他功能例程可參考各系列固件庫例程。

外設時鐘配置

外設時鐘配置如代碼清單例程時鐘配置所示，在GD32全系列MCU中需打開GPIOA和SPI0的時鐘，由于使用到PA3/PA5/PA7引腳以及SPI0模塊，另外，在GD32F10X、GD32F20X、GD32F30X、GD32E10X中需要打開AF時鐘。

void rcu_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X || GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || 
GD32E23X
 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
 rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI0);
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X
rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
#elif defined GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X
#endif
#endif
}

GPIO 引腳配置

GPIO引腳配置如代碼清單SPI例程GPIO引腳配置所示，GD32F10X、GD32F30X、GD32F20X、GD32E10X系列GPIO配置相同，PA5、PA7需配置為復用推挽輸出、PA6需配置為浮空輸入、PA3作為片選控制引腳配置為推挽輸出模式；GD32F1X0、GD32F4XX、GD32F3X0、 GD32E23X系列GPIO配置基本相同，不同在于PA5/PA6/PA7引腳的AF復用功能配置不同，在GD32F1X0、GD32F3X0和GD32E23X上，需要配置為AF0模式，在GD32F4XX上需要配置為AF5模式。GPIO配置完成后，例程中將CS片選信號拉高。

void gpio_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X
 /* SPI0 GPIO config:SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
 gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7);
 gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);
 /* PA3 as NSS */
 gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_3);
#elif defined GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X
#if defined GD32F1X0 || GD32F3X0 || GD32E23X
 /* SPI0 GPIO config: SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
 gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_0, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
#elif defined GD32F4XX
 gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_5, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
#endif
 gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
 gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
 gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_3);
 gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_3);
#endif 
SET_SPI0_NSS_HIGH
}

SPI 外設配置

SPI外設配置如代碼清單SPI例程SPI外設配置所示。GD32全系列MCU中SPI外設配置基本相同，在本例程中，SPI0作為主機全雙工模式，GD32標準庫提供了SPI初始化結(jié)構(gòu)體及初始化函數(shù)來配置SPI外設，其初始化結(jié)構(gòu)體說明如表 0-13 SPI初始化結(jié)構(gòu)體說明列表所示，SPI初始化結(jié)構(gòu)體填充完成后，調(diào)用spi_init函數(shù)進行SPI外設配置，配置完成后，調(diào)用spi_enable使能SPI外設。

void spi_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD|| GD32F30X_HD || GD32F1X0 || GD32F20X_CL || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E10X || 
GD32E23X
 spi_parameter_struct spi_init_struct;
 /* SPI0 parameter config */
 spi_init_struct.trans_mode = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;
 spi_init_struct.device_mode = SPI_MASTER;
 spi_init_struct.frame_size = SPI_FRAMESIZE_8BIT;
 spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;
 spi_init_struct.nss = SPI_NSS_SOFT;
 spi_init_struct.prescale = SPI_PSC_256;
 spi_init_struct.endian = SPI_ENDIAN_MSB;
 spi_init(SPI0, &spi_init_struct);
 spi_enable(SPI0);
#endif 
}

SPI 初始化結(jié)構(gòu)體說明列表

主函數(shù)說明

主函數(shù)如代碼清單SPI例程主函數(shù)所示，該主函數(shù)主要分成四部分，RCU時鐘配置、 GPIO 配置、SPI外設配置和while（1）主函數(shù)，前三部分已在前三小節(jié)介紹，在while(1)主循環(huán)中采用查詢的方法循環(huán)發(fā)送SPI數(shù)據(jù)，單次循環(huán)數(shù)據(jù)填充完成后，查詢RBNE和TRANS標志位判斷數(shù)據(jù)發(fā)送 完成，然后拉高CS片選，完成單次循環(huán)發(fā)送。

int main(void)
{
 /* peripheral clock enable */
 rcu_config();
 /* GPIO config */
gpio_config();
 /* SPI config */
 spi_config();
 while(1)
{
 SET_SPI0_NSS_LOW
 /* wait for transmit complete */
 while(send_n < arraysize){
 while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TBE));
 spi_i2s_data_transmit(SPI0, spi0_send_array[send_n++]);
 }
 while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_RBNE));
 while(RESET != spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TRANS))
 {}
 SET_SPI0_NSS_HIGH
 send_n = 0;
}
}

運行結(jié)果

將SPI_Example例程按照對應的芯片工程編譯完成后，下載到對應芯片中，采用示波器或者邏輯分析儀查看SPI_CS、SPI_CLK、SPI_MOSI引腳波形，如下圖SPI發(fā)送邏輯分析儀抓取波形圖所示，通過協(xié)議解析后，SPI數(shù)據(jù)發(fā)送正確。

8.5.SPI 使用注意事項

(1) 在切換SPI時鐘前要關閉SPI，切換完成后再使能SPI。

(2) 在采用SPI發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送buf空標志TBE置位，并不代表數(shù)據(jù)發(fā)送完成，僅代表數(shù)據(jù)從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器移到發(fā)送移位寄存器中，如果通過查詢TBE標志來拉高CS片選，由于GD32系列MCU代碼執(zhí)行效率較高，當發(fā)送速率較低時可能會出現(xiàn)當TBE置位時，拉高CS片選，此時數(shù)據(jù)還未完成發(fā)送，造成從機接受數(shù)據(jù)出錯。可以通過查詢接收數(shù)據(jù)寄存器非空RBNE和TRANS標志位來判斷數(shù)據(jù)發(fā)送完成，然后再拉高CS片選。

(3) SPI的MISO管腳需配置為浮空輸入模式，否則有可能數(shù)據(jù)接收異常。