PROTEUS仿真学习笔记05 （SPI 协议外设）——2014_7_15

STM32

***************
SPI 的概念

***************

对初学者来说，SPI 应该比 I2C 难一些，原因：
1、C51 用SPI 的资料不多，要到STM32 等更高级MCU 资料才会多；
2、SPI 的资料比较生硬，不够形象；
3、极性和相位的组合。

目前，网上找到的，感觉最好的资料应该是，
http://www.niwozhi.net/demo_c487_i35069.html
http://my.oschina.net/freeblues/blog/67400

下面的内容有部分摘自上面的链接：

SPI 总线实施简单，仅使用2条数据信号线和控制信号线

      SCK, Serial Clock, 主要的作用是 Master 设备往 Slave 设备传输时钟信号, 控制数据交换的时机以及速率;

      SS/CS, Slave Select/Chip Select, 用于 Master 设备片选 Slave 设备, 使被选中的 Slave 设备能够被 Master 设备所访问;

      SDO/MOSI, Serial Data Output/Master Out Slave In, 在 Master 上面也被称为 Tx-Channel, 作为数据的出口, 主要用于 SPI 设备发送数据;

      SDI/MISO, Serial Data Input/Master In Slave Out, 在 Master 上面也被称为 Rx-Channel, 作为数据的入口, 主要用于SPI 设备接收数据;

一主多从：

因为图片是摘录的，所以有的用 SDO，有的用 MOSI，在理解上可以暂时认为一回事。
同理 SDI MISO
****************
环形数据交换
—— 等价交换
****************
数据传输通常会包含一次数据交换。当主节点向从节点发送数据时，从节点也会向主节点发送数据。为此，主节点的内部移位寄存器和从节点被设置成环形

由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

上面的概念和原理图就是教程的主流，这也是比较难于理解的原因，还不够具体。

最好，借鉴一个实例，来观察一下

SPI协议举例

SPI是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
   假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
   那么第一个上升沿来的时候数据将会是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将所存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。
举例：
   假设主机和从机初始化就绪：并且主机的***uff=0xaa，从机的***uff=0x55，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据

这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。

已经很接近理解了，下一步就是把上面的过程转为动画，

。。。。。。

有了上面的基础，就可以来理解让人痛不欲生的极性和相位搭配了。

oldbeginner · 2014-7-15 18:58:11

*********************
极性和相位

*********************

概念摘录
http://blog.sina.com.cn/s/blog_69b5d2a50101am99.html

SPI的极性Polarity和相位Phase，最常见的写法是CPOL和CPHA，不过也有一些其他写法，简单总结如下：
(1) CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （时钟）极性
(2) CKPHA (Clock Phase) = CPHA = PHA = Phase =（时钟）相位
(3) SCK=SCLK=SPI的时钟
(4) Edge=边沿，即时钟电平变化的时刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)
对于一个时钟周期内，有两个edge，分别称为：
(1)Leadingedge=前一个边沿=第一个边沿，对于开始电压是1，那么就是1变成0的时候，对于开始电压是0，那么就是0变成1的时候；
(2)Trailingedge=后一个边沿=第二个边沿，对于开始电压是1，那么就是0变成1的时候（即在第一次1变成0之后，才可能有后面的0变成1），对于开始电压是0，那么就是1变成0的时候；

采用如下用法：

极性=CPOL
相位=CPHA
SCLK=时钟
第一个边沿和第二个边沿

CPOL和CPHA，分别都可以是0或时1，对应的四种组合就是：

CPOL = 0 时，时钟在逻辑 0 处空闲：

如果 CPHA = 0，数据会在 SCK 的上升沿上读取，在下降沿上变化。
如果 CPHA = 1，数据会在 SCK 的下降沿上读取，在上升沿上变化。

CPOL = 1时，时钟在逻辑高电平处空闲：

如果 CPHA = 0，数据会在 SCK的下降沿上读取，在上升沿上变化。
如果 CPHA = 1，数据会在 SCK 的上升沿上读取，在下降沿上变化。

下面详细介绍。
CPOL极性 先说什么是SCLK时钟的空闲时刻，其就是当SCLK在发送8个bit比特数据之前和之后的状态，于此对应的，SCLK在发送数据的时候，就是正常的工作的时候，有效active的时刻了。其英文精简解释为：ClockPolarity = IDLE state of SCK。
SPI的CPOL，表示当SCLK空闲idle的时候，其电平的值是低电平0还是高电平1：
CPOL=0，时钟空闲idle时候的电平是低电平，所以当SCLK有效的时候，就是高电平，就是所谓的active-high；
CPOL=1，时钟空闲idle时候的电平是高电平，所以当SCLK有效的时候，就是低电平，就是所谓的active-low

CPHA相位 首先说明一点，capture strobe = latch= read =sample，都是表示数据采样，数据有效的时刻。相位，对应着数据采样是在第几个边沿（edge），是第一个边沿还是第二个边沿，0对应着第一个边沿，1对应着第二个边沿。
对于：
CPHA=0，表示第一个边沿：
对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；
对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；
CPHA=1，表示第二个边沿：
对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第二个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；
对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

****************************************
极性和相位一共有 4种组合，利用（极性，相位）来表示，即模式
（0,0）（0,1）（1,0）（1,1）

其中（0,0）和（1,1）都是最常用的的，尤其是（0,0）

再来看

上图，表示的是（0,0）或者（1,1）模式，即
数据会在 SCK 的上升沿上读取，在下降沿上变化。

oldbeginner · 2014-7-16 18:37:54

oldbeginner 发表于 2014-7-15 18:58
*********************
极性和相位

***********************
W25Q16 的例子
—— 宁波芯动
***********************

W25Q16 是一个 SPI FLASH，C51开发板上不多，STM32 开发板上常见；不过 STM32 有自己的 SPI 寄存器，可以进行设置；而C51 没有 SPI 寄存器，需要模拟出 SPI 协议。

看了一些C51 SPI例子，一方面例子真得非常稀少，另一方面通用性也差。

这里先看一下芯动开发板的 W25Q16 实验。
W25Q16的手册
http://wenku.baidu.com/view/5e6bcbf604a1b0717fd5dd95.html

其工作模式 0 或模式 3。

根据SPI 协议，主从是同时交换数据，所以读和写可以在一个函数内完成，但是实际当中，读数据和写数据都分成了两个函数。

//名称: SPI写入一个字节函数
void Send_OneByte(unsigned char DATA8) //从SPI发8位数
{                        //上升沿写入
unsigned char x;
for (x=0;x<8;x++)
{
     SCLK=0;
     if(DATA8&0x80)DIO=1;
     else DIO=0;
     SCLK=1;
     DATA8=DATA8<<1;
}
}

写数据的同时，其实也可以接受数据。不过，这里把接受数据去掉了，但是动画还是展示了接受数据。

再来看读一个字节，

//名称: SPI读出一个字节函数
unsigned char Read_OneByte(void)    //从SPI收8位数
{          //下降沿输出
unsigned char DATA8;
unsigned char x;
SCLK=1;
DATA8=0x00;
for (x=0;x<8;x++)
{
     _nop_();
     SCLK=0;
     DATA8=DATA8<<1;
     if(DO)DATA8=DATA8|0x01;
     SCLK=1;
}
return (DATA8);
}

oldbeginner · 2014-7-16 19:02:58

oldbeginner 发表于 2014-7-16 18:37
***********************
W25Q16 的例子
—— 宁波芯动

********************
把读和写合并成一个函数

修改芯动的读函数
********************

unsigned char Read_OneByte(unsigned char DATA8)    //从SPI收8位数，并送出 DATA8
{          //下降沿输出

unsigned char x;
SCLK=1;

for (x=0;x<8;x++)
{
     _nop_();
     SCLK=0;

     if(DATA8&0x80)DIO=1;
     else DIO=0;

     DATA8=DATA8<<1;
     if(DO)DATA8=DATA8|0x01;
     SCLK=1;
}
return (DATA8);
}

因为数据会在 SCK 的上升沿上读取，在下降沿上变化。

感觉还是有点怪。

oldbeginner · 2014-7-16 19:18:43

本帖最后由 oldbeginner 于 2014-7-17 18:42 编辑

oldbeginner 发表于 2014-7-16 19:02
********************
把读和写合并成一个函数

********************奇怪的变形
——再改
********************

unsigned char Read_OneByte(unsigned char DATA8)    //从SPI收8位数，并送出 DATA8
{                                                       //下降沿输出

unsigned char x;
SCLK=0;

for (x=0;x<8;x++)
{
                   SCLK=0;

               if(DATA8&0x80)DIO=1;
               else DIO=0;

               DATA8=DATA8<<1;

               SCLK=1;

               if(DO)DATA8=DATA8|0x01;
   }
return (DATA8);
}

改成这样，一样是可以的。但是 DIO赋值的语句不能随便改。
难道这就是模式0。

同样，只能在下面的方式下工作：

SCLK=0;
for( ; ; ;)
{
SCLK=0;

发送数据（）；

SCLK=1;

接收数据（）；
}

同样，也可以更改成模式3 （1,1）

unsigned char Read_OneByte(unsigned char DATA8)    //从SPI收8位数，并送出 DATA8
{                                                       //下降沿输出

unsigned char x;
SCLK=1;

for (x=0;x<8;x++)
{
               SCLK=0;

               if(DATA8&0x80)DIO=1;
               else DIO=0;

               DATA8=DATA8<<1;

               SCLK=1;

               if(DO)DATA8=DATA8|0x01;
   }
return (DATA8);
}

SCLK=1;
for( ; ; ;)
{
SCLK=0;

发送数据（）；

SCLK=1;

接收数据（）；
}

**************************

SCLK=0; //模式0
// SCLK=1; //模式1

for( ; ; ;)
{
SCLK=0;

发送数据（）；

SCLK=1;

接收数据（）；
}

原理如此，还是比较好理解的。

折羽燕 · 2014-7-16 20:10:19

讲的很透彻，谢谢了，辛苦了~~

oldbeginner · 2014-7-16 20:22:12

oldbeginner 发表于 2014-7-16 19:18
********************奇怪的变形
——再改
********************

************
NRF24L01 的SPI
************

这个看起来就很简单了，也更加清晰。

uchar SPI_RW(uchar byte)
{
      uchar bit_ctr;
      for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++)  // 输出8位
      {
            NRF_MOSI=(byte&0x80);                      // MSB TO MOSI
            byte=(byte<<1);                                     // shift next bit to MSB
            NRF_SCK=1;
            byte|=NRF_MISO;                               // capture current MISO bit
            NRF_SCK=0;
      }
      return byte;
}

SCK  0 ---> 1 之间，MOSI 赋值；
SCK  1 ---->0 之间，byte 赋值。

oldbeginner · 2014-7-16 20:45:43

本帖最后由 oldbeginner 于 2014-7-17 16:06 编辑

oldbeginner 发表于 2014-7-16 20:22
************
NRF24L01 的SPI
************

******************
93C66 的例子
******************

http://wenku.baidu.com/view/1f8e9d06eff9aef8941e06bc.html

// 函数名称： SPISendByte
// 入口参数： ch
// 函数功能：发送一个字节
//--------------------------------------------------------------------------------------------------
void SPISendByte(unsigned char ch)
{
      unsigned char idata n=8;    // 向SDA上发送一位数据字节，共八位
      SCK = 1 ;                //时钟置高
      SS1 = 0 ;                //选择从机

      while(n--)
      {

                  SCK = 0 ;                //时钟置低
               if((ch&0x80) == 0x80)    // 若要发送的数据最高位为1则发送位1
               {
                        MOSI = 1;    // 传送位1
               }
               else
               {
                        MOSI = 0;    // 否则传送位0
                     }

               ch = ch<<1;       // 数据左移一位
                  SCK = 1 ;                //时钟置高
      }
}

发送和读取也是分成了两个函数，

// 函数名称： SPIreceiveByte
// 返回接收的数据
// 函数功能：接收一字节子程序
//--------------------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char SPIreceiveByte()
{
      unsigned char idata n=8;    // 从MISO线上读取一上数据字节，共八位
      unsigned char tdata;

      SCK = 1;                   //时钟为高
      SS1 = 0;                   //选择从机

            while(n--)
            {

                     SCK = 0;                   //时钟为低

                        tdata = tdata<<1;    // 左移一位，或_crol_(temp,1)
                        if(MISO == 1)
                                 tdata = tdata|0x01;    // 若接收到的位为1，则数据的最后一位置1
                        else
                                 tdata = tdata&0xfe;    // 否则数据的最后一位置0
                        SCK=1;
            }
      return(tdata);
}

很奇怪，读和写都是在 SCK 位于 0 1 之间赋值的。

SPI 协议真乱。
7-17 补充：感觉这篇文章的代码有问题，

修改如下并合并，
unsigned char SPISendByte(unsigned char ch)
{
      unsigned char idata n=8;    // 向SDA上发送一位数据字节，共八位

      while(n--)
      {

                  SCK = 0 ;                //时钟置低
               if((ch&0x80) == 0x80)    // 若要发送的数据最高位为1则发送位1
               {
                        MOSI = 1;    // 传送位1
               }
               else
               {
                        MOSI = 0;    // 否则传送位0
                     }

               ch = ch<<1;       // 数据左移一位

              tdata = tdata<<1;    // 左移一位，或_crol_(temp,1)

                  SCK = 1 ;                //时钟置高

                        if(MISO == 1)
                                 tdata = tdata|0x01;    // 若接收到的位为1，则数据的最后一位置1
                        else
                                 tdata = tdata&0xfe;    // 否则数据的最后一位置0
      }
      return(tdata);
}

oldbeginner · 2014-7-16 21:15:13

oldbeginner 发表于 2014-7-16 20:45
******************
93C66 的例子
******************

*******************
常用的SPI C51 模拟
重复
*******************

http://www.dz863.com/Microprocessors/MCS-8051/SPI-C51.htm

SPI接口有一个特点，即在时钟SCK的上升沿打入数据MOSI，在下降沿读入数据MISO.
片选信号CS有正负区别.在硬件上MOSI与MISO是可以短路变为SIO可读写IO的.
故SPI可为(不包括CS)
三线(SCK,MOSI,MISO)协议,两线(SCK,SIO)协议
再者，SPI一般为双向同时高速收发数据的，方向由时钟SCK的跳变沿决定。

根据以上所述，模拟SPI读写模块编制成为一体化模块是必要的。
而且调用规则只需注意读数据时要写入0xff即可。非常方便好用。

例如：
res = SpiReadWrite(val);//模块写
SpiReadWrite(0xff);//模块读
对于具体器件，由于涉及到命令、地址及数据等，故一个完整的SPI读或写操作
可能需要几个模拟SPI读写一体化模块来完成。

所以一般完整的SPI读或写操作需以下函数组合完成

void SpiOpen(void); //打开片选 CS=0或CS=1
void SpiClose(void); //关闭片选 CS=1或CS=0
unsigned char SpiReadWrite(val); //模拟SPI读写一体化模块
void SpiWriteEnable(void); //使能写操作
void SpiWriteDISAble(void); //禁止写操作
unsigned char SpiReadStatus(void); //读状态
void SpiWriteStatus(unsigned char val); //写状态
void SpiWriteWait(void); //等待写入完成
void SpiWriteByte(unsigned int addr, unsigned char val);//写一个字节
void SpiWriteWord(unsigned char addr, unsigned int val);//写一个字
unsigned char SpiReadByte(unsigned int addr); //读一个字节
unsigned int SpiReadWord(unsigned char addr); //读一个字
/*----------------------------------------------------------------------------

/*-----------------------------------------------
例：
X5045模拟SPI读写一体化模块
PTR905模拟SPI读写一体化模块
------------------------------------------------*
unsigned char SpiReadWrite(unsigned char val)
{
unsigned char i;
ACC = val;
for (i = 8; i > 0; i --)
{
CY = MISO;//取数据SO
_rlca_();//存数据ACC.0读数据ACC.7同时进行
MOSI = CY;//送数据SI
SCK = 1;//上升沿打入数据
_nop_();//延时
SCK = 0;//下降沿读入数据
}
return ACC;
}

/*-----------------------------------------------
例：
X5045模拟SPI读写一体化模块
ISD4004模拟SPI读写一体化模块
------------------------------------------------*
unsigned char SpiReadWrite(unsigned char val)
{
unsigned char i;
ACC = val;
for (i = 8; i > 0; i --)
{
SCK = 0;//下降沿读入数据
_nop_();//延时
CY = MISO;//取数据SO
_rlca_();//存数据ACC.0读数据ACC.7同时进行
MOSI = CY;//送数据SI
_nop_();//延时
SCK = 1;//上升沿打入数据
MOSI = 1;//释放总线SI
}
return ACC;
}

/*-----------------------------------------------
例：
AT93C46模拟SPI读写模块
------------------------------------------------*
***it ACC_7 = ACC^7;
unsigned char SpiReadWrite(unsigned char val)
{
unsigned char i;
ACC = val;
for (i = 8; i > 0; i --)
{
CY = ACC_7;//读数据ACC.7
MOSI = CY;//送数据SI
SCK = 1;//上升沿打入数据
CY = MISO;//取数据SO
_rlca_();//存数据ACC.0
SCK = 0;//下降沿
}
return ACC;
}

oldbeginner · 2014-7-17 15:47:44

oldbeginner 发表于 2014-7-16 21:15
*******************
常用的SPI C51 模拟
重复

********************
SD卡的 SPI 模式

********************

SD 的 SPI 模式写出来是如此简单。

//写一字节到SD卡,模拟SPI总线方式
void SdWrite(unsigned char n)
{

unsigned char i;

for(i=8;i;i--)
{
SD_CLK=0;
SD_DI=(n&0x80);
n<<=1;
SD_CLK=1;
}
SD_DI=1;
}
下降沿发出数据。

//===========================================================
//从SD卡读一字节,模拟SPI总线方式
unsigned char SdRead()
{
unsigned char n,i;
for(i=8;i;i--)
{
SD_CLK=0;
SD_CLK=1;
n<<=1;
if(SD_DO) n|=1;

}
return n;
}

上升沿接收数据。

slim443 · 2014-7-18 16:16:08

协议介绍的很详细

Benj · 2014-7-21 01:15:03

{:1:}

家瑞 · 2014-9-25 11:28:15

顶楼主，写的不错

蓝豆 · 2015-6-17 10:57:06

讲的太好了，默默的收藏

王佰顺 · 2016-2-14 21:39:06

看起来挺有用的，感谢楼主

h1654155914.0995 · 2016-8-31 14:23:27

这么深入浅出通俗易懂的教程居然没人顶？？
谢谢楼主啦！

wdh · 2016-11-11 21:02:45

不错，确实很有用的一定好好学习

wdh · 2016-11-11 21:13:32

666666666666666666666

胡德文 · 2017-2-21 10:25:37

非常好，值得学习啊！

2017-12-17 11:29:31

不好意思想请问一下，关于相位的那个动画，数据采样是指把SDI的值存入寄存器中，存入的过程中整个8位数据已经改变；数据输出是指8位数据向左移1位，将最左端的数据放在SDO中，是这样么？
如果是的话，那在（0，0）的时候，应该是先采样，改变8位数据；再移位，把最左端的一位数取出来。
那最后一个相位的动画是不是反了呢？

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