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STM32F030 Nucleo-多样的SPI通信之Master标准模式-SPIFlash读写
时间:2018-08-16作者:华清远见

我个人认为,学习单片机,在硬件上和驱动上,我们无非学习这么几个东西:

1.能灵活的操作GPIO端口

2.理解单片机各个引脚的功能和作用和外围小系统的设计

3.各种通信协议比如:并口协议(LCD1602等),UART/USART协议,IIC协议,485通信协议,SPI通信协议,IIS音频流传输协议,CAN通信协议,单总线通信协议(DS18B20等),三总线协议(DS1302等)等等通信协议。

4.ADC/DAC 模数/数模转换

5.单片机内部提供的一些运输协议或者特殊功能,比如DMA,RTC,定时器Timer等,这些功能的操作有单片机本身确定,经过协议相同目标相同,但是操作等可能各家单片机不尽相同;咱只需要理解它完成的是什么功能/任务就好。

通过学习各种协议、一些基本的操作和所使用的这款单片机的内核功能或者特殊功能(与内核和厂商设计相关),就基本上能利用单片机与外设或者其他MCU或CPU实现通信交流了,都交流上了!那自然就是有关系了!哈哈哈!那至于想搞什么关系(男女关系还是朋友关系<开玩笑>)那就自己想喽!哈哈哈哈!

关系都搞通了!那么借钱(读取)或者还钱(写入)就有机会啦!!!

那么其实问题就来了!有人会疑问,不是还有算法啊!数据结构等等这些吗??其实这是一个显而易见的问题:

建议:

1.在我们写代码的时候,好将我们的代码封装起来,分成与硬件相关的代码(层)和与硬件无关的层。

2.与硬件无关的层可能有继续划分,比如分一些总线层或者书中间调度层等等,这些层和我们的产品功能实现可能没有太大关系,但是却为我们的功能进行调度或者作为基础,是的我们的代码的可移植性更高。

3.当然,万事没有绝对,在RAM和ROM/Flash紧缺的情况下,用上面1和2点的方法显然是不合适的,因为咱的ROM/Flash一不小心就装不了咱的代码了,那就没得玩了,何况还有RAM的情况也是这样,所以这时候咱就尽量的减少代码,优化代码,这样可能就会使得与硬件相关的代码和功能代码混合在一起了,这样的代码的可移植性是非常低的,但是没办法嘛!这是一种解决方案!哈哈!

4.基于上面三点的建议,做一下总结。首先说明一下实际的情况,绝大部分的初学者管你内存多大,他们的代码都采用的是第3种方法,这可以说是一种不好的习惯,建议还是尽量的模仿使用1和2中方法学习,当然也不是那么简单的,这需要一个长久的学习和阅读一些好的开源项目代码,比如一些实时操作系统源码(UCosII、FreeRTOS,小型用于SD卡或者SPIFlash等的文件系统源码等等),这样理解开源项目的架构,才能自己慢慢学习构建架构的,这是一个比较漫长的过程,需要有心人在学习的过程中慢慢的关注。

OK!废话了半天!言归正传!这里咱要学习的是SPI通信,身边刚好有SPIFlash,咋就用咱的STM32F030 Nucleo板卡作为主机与它通信吧。

首先呢,有必要先介绍一下SPI通信协议。

SPI通信总线协议开始是由Motorola(摩托罗拉)提出或者发明的。她提供了三线制全双工同步串行外围接口,采用主从模式架构。在一同一个通信系统中,支持多从机单一主机。也就是说,每一个SPI总线通信上只存在一个主机。

它的通信方式是:通信时钟CLK有主机控制,数据在时钟脉冲下按位传输,先传高位再传低位。()这一点非常重要!在单片机不支持硬件SPI通信时,与具有SPI通信接口的外设传感器等通信就必须使用MCU的I/O口模拟SPI时序与之进行数据通信,从而实现功能。

还有一个非常好的好处就是,通信速率能达到几M到十几M,哈!好快。

好!基本上几句话就知道SPI的基本信息了!那么,干啥呢??当然是。。。。。。。。分析分析通信过程了哇!哈哈!

硬件通信接口:

CLK-------CLOCK Signal;时钟线

MISO-----Master Input Slave Output;主机输入从机输出数据线

MOSI-----Master Output Slave Input;主机输出从机输入数据线

NSS-------Slave Select pin;从设备使能线

咦!咋觉得不太对呢?上面明明说是三线制啊!咋的这里有四根线呢(CLK时钟线、MISO数据线,MOSI数据线和NSS片选线)?

其实是这样的,前面介绍SPI的时候,说是三线制,主要是说数据通信所需要的线,即CLK、MISO、MOSI这三根线是SPI通信的基础,而NSS片选线有时候在特定情况下是不必要的(这个下一篇文章中我会详细介绍),所以,问题就这样愉快的解决了。哈哈!这种感觉是不是很爽!!嘿嘿。

当然,这其实只是SPI通信硬件接口的一部分,而且是基础的部分。那么现在就STM32F030的硬件SPI资源进行讲解。打开参考手册《STM32F030x468C and STM32F070x6B advanced ARM®-based 32-bit MCUs.pdf》

打开到SPI通信的讲解章节,如下:

这就是SPI的简介了!哈哈!好!不废话了!继续往下:

这里就说明了这款芯片的SPI的特点和功能,再往下:

注意红线框出的部分,这就是我们这款单片机拥有的SPI外设资源和支持的功能资源。非常重要!!!

讲到资源,那我们还必须要牢记这款芯片的资源对应的单片机引脚。这个要从Datasheet来看了。如下:

哈!看见没!这就是这款芯片的资源了,特别关注红框标注的地方,而且还要注意哪些复用是我们的STM32F030 Nucleo板卡的主控MCU STM32F030R8T8才有的,这一点非常重要!别写半天引脚的配置都不对。这是一件很悲催很丢脸的事。

OK!咱来看看我们的单片机的SPI内脏,如下:

有必要先说明一下:FIFO:First Input First Output,即先进先出队列!哈哈!还记得在学习数据结构是的队列吗??就是这个了!嘿嘿!

发送数据:当不使用Tx FIFO缓冲区时,直接就是将1Byte数据从MOSI上传移位寄存器,然后移位寄存器自己根据时钟CLK的边沿将数据按位移动到IO口,然后传送出去;当使用Tx FIFO的时候,咱们就直接将一堆数据放在Tx FIFO中,然后使能传输,它就自己讲数按照SPI协议发送出去了(如红色线)。

接收数据:当不使用Rx FIFO缓冲区的时候,MCU根据时钟CLK的边沿对MISO引脚进行数据采集,然后放在移位寄存器上,当采集满8bit了,时钟就好停下来啦!然后就是读取数据出来啦!哈哈!当使用Rx FIFO时,就将数据放大Rx FIFO中,然后当FIFO满的时候,产生标志或者中断,然后就将数据搬到内存中就好喽!嘿嘿!(如蓝色线)。

对于时钟线和NSS,当然是分别作为产生数据传输是所需要的时钟脉冲和片选了哈!

那么其实在这个SPI“内脏”中,还包含了CRC校验控制器和同学控制器,顾名思义肯定是用来校验和控制SPI通了的拉!嘿嘿!

那么粉色框是啥意思呢??下面那个一看就知道这是波特率了!嘿嘿!就是控制速度的拉!两个设备要通信,肯定是要站在同一个水平上交流嘛!如果一个快一个慢,那就没法交流了!嘿嘿!那上面的粉色框是啥呢??RXONLY就是只读喽!但是其实参考手册上都有表述,先不纠结这个。咱要关注的应该是:CPOL和CPHA。这两东西到底是啥呢??其实呢CPOL表示SPI通信的时钟极性,即表示时钟线在空闲时的电平状态;CPHA表示SPI通信的时钟相位,即表示在时钟线脉冲的什么时候对数据进行捕捉和输出。可以配置出两种SPI通信协议(它对SPI通信影响极大)。

CPOL和CPHA的配置表述:

CPOL:CPOL= 0;时钟线空闲状态时为低电平;CPOL=1;时钟线空闲状态时为高电平。

CPHA:CPHA=0;在时钟线的第一个跳变沿(上升沿/下降沿)数据被采集;CPHA=1;在时钟线的第二个跳变沿(上升沿/下降沿)数据被采集。

注:在进行SPI通信时,通过一总线上的所有设备必须保证CPOL和CPHA的一致性;这是非常重要的,反正意思就是在同一水平上进行交流。

得到以上消息之后,咱组合一下就有如下情况了,其实就是2的2次方等于4种SPI通信模式,如下:

(1)SPI0:CPOL=0,CPHA=0

(2)SPI1:CPOL=0,CPHA=1

(3)SPI2:CPOL=1,CPHA=0

(4)SPI3:CPOL=1,CPHA=1

嘿嘿!以上就是SPI通信的四种模式了!也可以理解成SPI通信的四种协议!还有就是至于SPI0~SPI3到底表示的是啥就不要纠结了(有些人不知道咋的,就是要纠结这东西,然后然后连自己都分不清楚这到底是啥)!咱至于记住CPOL和CPHA分别在不同状态下表示的是啥就够了!然后组合!哈哈哈哈!你懂的。

OK!对于SPI总线通信的基本说明就到这了!当然了,还有时序的说明,但是呢,这个比较长!就不一个个分析了,看看SPI通信协议更靠谱!嘿嘿!我会附上我认为比较好的SPI协议文档进行参考。

下面咱要继续挖SPI了!

SPI主机-从机全双工通信:

看见了没!现在知道为毛是三线了吧?上面已经表示出了主机和从机之间的接口连接方式,有时候只需要一直讲NSS处于一个低电平状态,就可以一直正常通信了。至于发送数据那就是CLK,NISO,MOSI的事了。

SPI主机-从机半双工通信:

看见了没有??这样也是可以的!这就有点像IIC了,但是,但是协议是不一样的!主机的MOSI与从机的MISO接口相连!既然是半双工,那么就意味着它不能同时发送和接收数据了,所以,主机应该是先发完数据,然后再读取数据,呵呵!!!这样的通信方式,到目前为止,俺遇到的传感器等等设备也是没用过哇。不过不管它!既然支持,那么有机会就要使用它!嘿嘿!

SPI主机-从机单工通信:

在参考手册中有如下图的一段话:

讲述了SPI可以工作在单工模式下雨设备通信!和它的配置!那么说明时候用到这种配置的通信呢??不知道各位有木有用过74HC595,74HC573等等这些锁存器呢或者是SPILCD/OLED呢?没错!对于这些设备或者芯片,单片机没有什么数据要从他们那里读取的!只需要向他们写数据就好!所以在这种情况下就需要单工SPI通信了!哈哈!

看下图:

接口就如上了!嘿嘿!但是!但是一定要看下面的标注1、2、3和Note啊,别傻乎乎的出问题了。

SPI主机-多从机通信:

看见上图没?知道NSS是干啥的了吧?SPI的多机通信就是这样了!特别注意粉色框的NSS的接法和用法!很重要哦!其他的一切都是按照SPI标准协议来通信的!就不多废话了。嘿嘿!

OK!SPI的基本的协议!就是这样了!哈哈!在参考手册上还分别对CLK、NSS、RxFIFO/TxFIFO、DMA等等的用法!这个就自己去看了!基本的协议将清楚了!那就应该做做实验,谢谢代码了。嘿嘿!

还有一点解释就是,为毛不讲解寄存器呢??嘿嘿!我将反问道,为毛样讲寄存器呢?难道我会将的有手册的好,有手册的权威??这是不可能的!而且,学到了这一步,对怎么看寄存器资料介绍和操作寄存器应该是没问题了的!嘿嘿!

我刚好有64M的SPIFlash,嘿嘿!这个可不能浪费喽!哈哈!那咱就先玩Flash吧!用它来体验一下SPI通信!嘿嘿!

Flash型号:W25Q64 华邦公司的产品喽!

Flash大小:64M Bit == 8M Byte,空间可是好大哦!有8M Byte

主控MCU:STM32F030R8T6

咱就通过MCU的硬件SPI资源与SPIFlash进行通信,实现数据的存储和读取。

要干下面这么几件事:

1.查阅W25Q64 数据手册Datasheet,获取其SPI的时钟相位和极性。这可是通信的关键哦!

看见没!SPIFlash支持两种SPI标准通信模式,分别是

SPI0:CPOL=0,CPHA=0

SPI3:CPOL=1,CPHA=1

OK!想要的信息得到了!

2.选择和配置MCU SPI资源,在这里咱就用SPI1了!如下图:

有的选择!这是好事啊!意味着有备胎哇!哈哈哈!那么我们到底该用哪一组呢?查看了一下Nucleo板卡的原理图,得知PA5引脚是用来驱动发光二极管LD2的,那就意味着如果咱选用第1组,那么LD2就没得玩了!这样就不好玩了!所以咋还是选择第二组吧!嘿嘿!记住资源选择的思路哦!!!一切都要考虑到!

咦!是不是感觉有哪里不对??第二组为毛没有硬件NSS资源呢??这个咋玩啊??嘿嘿!其实那,在这里咱是和SPIFlash通信,那么就是以为着STM32F030是作为主机Master来使用的,所以,嘿嘿!NSS任意选择一个GPIO口即可。哈哈!在这里咱根据Nucleo板卡的布局和考虑到功能的复用等等,选择了GPIOA10口作为NSS了。

3.硬件连接,如下图:

下面就该贴程序了!嘿嘿!

SPI的初始化配置:

解释:

1.打开SPI1的时钟喽!不理解为毛是APB2的话,没关系,两种方法(1)看时钟树(2)查看stm32f10x_rcc.c文件!找到RCC_APB2Periph_SPI1即可!嘿嘿!

2.打开GPIO端口的复用功能,这个从函数源码来讲应该是很好理解的!函数源码参数说明如下:

问题就来了!你咋知道我们所用的资源对应的到时是哪一个GPIO_AF_x?比日说SPI1从函数说明来说可能是GPIO_AF_0也可能是GPIO_AF_1,这个咋玩呢??还是一句话,在参考手册或者数据手册Datasheet上找,肯定能找到。没错,就是在Datasheet上找到了!如下图:

看见了没??对应的是AF0啊啊啊啊啊啊!所以就是GPIO_AF_0。嘿嘿!多么简单的领悟哇!

3.就是硬件SPI的基本配置了,嘿嘿!不管他!反正,咱只要配置成:全双工通信(主要参数宏的2Lines(两线)是指两根数据线)、数据长度8Bit、CPOL=1,CPHA=1(用模式3)、NSS由软件控制、波特率预分频值为4分频(关于速率也要参看SPIFlash手册,这样才能正确通信)、指定数据传输从MSB位开始(这个一定要参看参考手册)、指定CRC多项式计算因子为7(这个在参考手册中也有详细说明)、后指定SPI为Master主模式。这样就完成配置了!嘿嘿!

4.启动NSS为软件管理模式,配置FIFO的接收阀值为事件生成的1/4,后就使能SPI1控制器了。

哈哈!配置过程就这样完了!

既然配置完成了!咱就发送和接收数据喽!这才是终的目标嘛!哈哈!那就往下看喽!

上面就是读写函数了!四句话解决!是不是很简洁?嘿嘿!肯定是下班等待发送标志空闲,然后再SPI_SendData8()发送数据啦!因为是全双工的嘛,所以每发送出去1bit数据,MCU也会接收到1bit的数据,只是这些事咱不用考虑,因为MCU的SPI控制器已经给咱们干了。哈哈!所以发送了之后,就要该读取了!但是总得等待接收标志位空闲吧!然后读取就返回了!所以,对于SPI的通信,发送数据和读取数据就是同一个函数实现喽!但是,有一点要注意哦,SPI通信接收的数据是上一次的数据,啥意思呢??比如,咱发送一个命令(0x08),spi_data = SPI_SendData8(SPI1,0x08);这是返回的spi_data不是命令0x08所返回的结果数据,所以想要获取命令0x08的返回数据,就要紧接着spi_data = SPI_SendData8(SPI1,0xff);这次才是命令0x08所返回的数据,这一点尤其要注意。

OK!既然配置好了!也可以发送和接收数据了!那SPI的讲解也就完了!嘿嘿!至于其他部分的关于SPIFlash的代码,这就没什么好说的了!见我附的例程吧!具体的实现就要参考SPIFlash的datasheet了。

解释:在这里虽然与SPIFlash通信,但是对SPIFlash的讲解并不大!其实呢,对于SPIFlash的讲解又是一大堆!而且我觉得没必要!因为这与SPI通信无关了,而且SPIFlash的Datasheet将的非常权威了,我们只需要知道SPIFlash是存储数据的存储器,我们用它的目的就是为了存储数据或者存放Demo。这就够 ,至于它的指令,等等每一种SPIFlash都是不尽相同的!没法讲。

后:以上内容仅仅为个人理解,如果有错误或者不足,请联系我,让我也学习学习!谢谢!

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