SPI接口详解

article/2025/8/23 10:39:38

一、SPI接口简介

SPI 是英语Serial Peripheral interface的缩写,顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。
SPI,是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,主要应用在 EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。
SPI接口框图:
在这里插入图片描述
SPI内部结构简明图:
在这里插入图片描述
SPI接口一般使用4条线通信:

  • 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。
    SPI工作原理总结:
    1、硬件上为4根线。
    2、主机和从机都有一个串行移位寄存器,主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。
    3、串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机,从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样,两个移位寄存器中的内容就被交换。
    4、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。

二、SPI相关配置以及配置流程

时钟极性和时钟相位:

  • SPI_CR寄存器的CPOL和CPHA位,能够组合成四种可能的时序关系。
  • CPOL(时钟极性)位控制在没有数据传输时时钟的空闲状态电平,此位对主模式和从模式下的设备都有效。如果CPOL被清0,SCK引脚在空闲状态保持低电平;如果CPOL被置1,SCK引脚在空闲状态保特高电平。
  • 如果CPHA(时钟相位)位被置1,SCK时钟的第二个边沿(CPOL位为0时就是下降沿,CPOL位为1时就是上升沿)进行数据位的采样,数据在第二个时钟边沿被锁存。如果CPHA位被清0,SCK时钟的第一边沿(CPOL位为0时就是下降沿,CPOL位为1时就是上升沿)进行数据位采样,数据在第一个时钟边沿被锁存。
  • CPOL时钟极性和CPHA时钟相位的组合选择数据捕捉的时钟边沿。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

数据帧格式:根据SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位,输出数据位时可以MSB在先也可以LSB在先,根据SPI_CR1寄存器的DFF位,每个数据帧可以是8位或是16位,所选择的数据帧格式对发送和接收都有效。
状态标志:应用程序通过3个状态标志可以完全监控SPI总线的状态。

  • 1、发送缓冲器空闲标志(TXE)

此标志为1表明发送缓冲器为空,可以写下一个待发送的数据进入缓冲器,当写入SPI_DR时,TXE标志被清除。

  • 2、接收缓冲器非空(RXNE)

此标志为1表明在接收缓冲器中包含有效的接收数据,读SPI数据寄存器可以清除此标志。

  • 3、忙标志(BUSY)

BSY标志由硬件设置与清除,表明SPI通信层状态。

SPI中断:
在这里插入图片描述

STM32F40x系列SPI引脚:
在这里插入图片描述
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常用寄存器:

  • SPI控制寄存器1(SPI_CR1)
  • SPI控制寄存器2(SPI_CR2)
  • SPI状态寄存器(SPI_SR)
  • SPI数据寄存器(SPI_DR)
  • SPI_I2S配置寄存器(SPI_I2S_CFGR)
  • SPI_I2S预分频寄存器(SPI_I2SPR)

SPI程序配置过

①使能SPIx和IO口时钟

RCC_AHBxPeriphClockCmd() / RCC_APBxPeriphClockCmd();

②初始化IO口为复用功能

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

③设置引脚复用映射:

GPIO_PinAFConfig();

②初始化SPIx,设置SPIx工作模式

void SPI_Init(SPI_TypeDef* SPIx, SPI_InitTypeDef* SPI_InitStruct);

③使能SPIx

void SPI_Cmd(SPI_TypeDef* SPIx, FunctionalState NewState);

④SPI传输数据

void SPI_I2S_SendData(SPI_TypeDef* SPIx, uint16_t Data);
uint16_t SPI_I2S_ReceiveData(SPI_TypeDef* SPIx) ;

⑤查看SPI传输状态

SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI2, SPI_I2S_FLAG_RXNE);

三、SPI应用(W25QXX)

根据W25Qxx提供的数据手册上的操作时序以及指令表完成相应func的编写。

//指令表
#define W25X_WriteEnable		0x06 
#define W25X_WriteDisable		0x04 
#define W25X_ReadStatusReg		0x05 
#define W25X_WriteStatusReg		0x01 
#define W25X_ReadData			0x03 
#define W25X_FastReadData		0x0B 
#define W25X_FastReadDual		0x3B 
#define W25X_PageProgram		0x02 
#define W25X_BlockErase			0xD8 
#define W25X_SectorErase		0x20 
#define W25X_ChipErase			0xC7 
#define W25X_PowerDown			0xB9 
#define W25X_ReleasePowerDown	0xAB 
#define W25X_DeviceID			0xAB 
#define W25X_ManufactDeviceID	0x90 
#define W25X_JedecDeviceID		0x9F 
void SPI1_Init(void)
{	 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);//使能SPI1时钟//GPIOFB3,4,5初始化设置GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;//PB3~5复用功能输出	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_SPI1); //PB3复用为 SPI1GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource4,GPIO_AF_SPI1); //PB4复用为 SPI1GPIO_PinAFConfig(GPIOB,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_SPI1); //PB5复用为 SPI1//这里只针对SPI口初始化RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);//复位SPI1RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,DISABLE);//停止复位SPI1SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;		//设置SPI工作模式:设置为主SPISPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;		//设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;		//串行同步时钟的空闲状态为高电平SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;	//串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;		//NSS信号由硬件(NSS管脚)还是软件(使用SSI位)管理:内部NSS信号有SSI位控制SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;		//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;	//指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;	//CRC值计算的多项式SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI外设SPI1_ReadWriteByte(0xff);//启动传输		 
}
//SPI1 读写一个字节
//TxData:要写入的字节
//返回值:读取到的字节
u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData)
{		 			 while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET){}//等待发送区空  SPI_I2S_SendData(SPI1, TxData); //通过外设SPIx发送一个byte  数据while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET){} //等待接收完一个byte  return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); //返回通过SPIx最近接收的数据	}
void W25QXX_Init(void)
{ GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);//使能GPIOG时钟//GPIOB14GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;//PB14GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//输出GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;//PG7GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);//PG7输出1,防止NRF干扰SPI FLASH的通信 W25QXX_CS=1;			//SPI FLASH不选中SPI1_Init();		   			//初始化SPISPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_4);		//设置为21M时钟,高速模式 W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID();	//读取FLASH ID.
}  //读取W25QXX的状态寄存器
//BIT7  6   5   4   3   2   1   0
//SPR   RV  TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY
//SPR:默认0,状态寄存器保护位,配合WP使用
//TB,BP2,BP1,BP0:FLASH区域写保护设置
//WEL:写使能锁定
//BUSY:忙标记位(1,忙;0,空闲)
//默认:0x00
u8 W25QXX_ReadSR(void)   
{  u8 byte=0;   W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadStatusReg);    //发送读取状态寄存器命令    byte=SPI1_ReadWriteByte(0Xff);             //读取一个字节  W25QXX_CS=1;                            //取消片选     return byte;   
} 
//写W25QXX状态寄存器
//只有SPR,TB,BP2,BP1,BP0(bit 7,5,4,3,2)可以写!!!
void W25QXX_Write_SR(u8 sr)   
{   W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteStatusReg);   //发送写取状态寄存器命令    SPI1_ReadWriteByte(sr);               //写入一个字节  W25QXX_CS=1;                            //取消片选     	      
}   
//W25QXX写使能	
//将WEL置位   
void W25QXX_Write_Enable(void)   
{W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteEnable);      //发送写使能  W25QXX_CS=1;                            //取消片选     	      
} 
//W25QXX写禁止	
//将WEL清零  
void W25QXX_Write_Disable(void)   
{  W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_WriteDisable);     //发送写禁止指令    W25QXX_CS=1;                            //取消片选     	      
} 		
//读取芯片ID
//返回值如下:				   
//0XEF13,表示芯片型号为W25Q80  
//0XEF14,表示芯片型号为W25Q16    
//0XEF15,表示芯片型号为W25Q32  
//0XEF16,表示芯片型号为W25Q64 
//0XEF17,表示芯片型号为W25Q128 	  
u16 W25QXX_ReadID(void)
{u16 Temp = 0;	  W25QXX_CS=0;				    SPI1_ReadWriteByte(0x90);//发送读取ID命令	    SPI1_ReadWriteByte(0x00); 	    SPI1_ReadWriteByte(0x00); 	    SPI1_ReadWriteByte(0x00); 	 			   Temp|=SPI1_ReadWriteByte(0xFF)<<8;  Temp|=SPI1_ReadWriteByte(0xFF);	 W25QXX_CS=1;				    return Temp;
}   		    
//读取SPI FLASH  
//在指定地址开始读取指定长度的数据
//pBuffer:数据存储区
//ReadAddr:开始读取的地址(24bit)
//NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)   
{ u16 i;   										    W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReadData);         //发送读取命令   SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16));  //发送24bit地址    SPI1_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));   SPI1_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);   for(i=0;i<NumByteToRead;i++){ pBuffer[i]=SPI1_ReadWriteByte(0XFF);   //循环读数  }W25QXX_CS=1;  				    	      
}  
//SPI在一页(0~65535)内写入少于256个字节的数据
//在指定地址开始写入最大256字节的数据
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大256),该数不应该超过该页的剩余字节数!!!	 
void W25QXX_Write_Page(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{u16 i;  W25QXX_Write_Enable();                  //SET WEL W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_PageProgram);      //发送写页命令   SPI1_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>16)); //发送24bit地址    SPI1_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>8));   SPI1_ReadWriteByte((u8)WriteAddr);   for(i=0;i<NumByteToWrite;i++)SPI1_ReadWriteByte(pBuffer[i]);//循环写数  W25QXX_CS=1;                            //取消片选 W25QXX_Wait_Busy();					   //等待写入结束
} 
//无检验写SPI FLASH 
//必须确保所写的地址范围内的数据全部为0XFF,否则在非0XFF处写入的数据将失败!
//具有自动换页功能 
//在指定地址开始写入指定长度的数据,但是要确保地址不越界!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
//CHECK OK
void W25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{ 			 		 u16 pageremain;	   pageremain=256-WriteAddr%256; //单页剩余的字节数		 	    if(NumByteToWrite<=pageremain)pageremain=NumByteToWrite;//不大于256个字节while(1){	   W25QXX_Write_Page(pBuffer,WriteAddr,pageremain);if(NumByteToWrite==pageremain)break;//写入结束了else //NumByteToWrite>pageremain{pBuffer+=pageremain;WriteAddr+=pageremain;	NumByteToWrite-=pageremain;			  //减去已经写入了的字节数if(NumByteToWrite>256)pageremain=256; //一次可以写入256个字节else pageremain=NumByteToWrite; 	  //不够256个字节了}};	    
} 
//写SPI FLASH  
//在指定地址开始写入指定长度的数据
//该函数带擦除操作!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)						
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)   
u8 W25QXX_BUFFER[4096];		 
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)   
{ u32 secpos;u16 secoff;u16 secremain;	   u16 i;    u8 * W25QXX_BUF;	  W25QXX_BUF=W25QXX_BUFFER;	     secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址  secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小   //printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节while(1) {	W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据{if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除  	  }if(i<secremain)//需要擦除{W25QXX_Erase_Sector(secpos);//擦除这个扇区for(i=0;i<secremain;i++)	   //复制{W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer[i];	  }W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区  }else W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间. 				   if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了else//写入未结束{secpos++;//扇区地址增1secoff=0;//偏移位置为0 	 pBuffer+=secremain;  //指针偏移WriteAddr+=secremain;//写地址偏移	   NumByteToWrite-=secremain;				//字节数递减if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;	//下一个扇区还是写不完else secremain=NumByteToWrite;			//下一个扇区可以写完了}	 };	 
}
//擦除整个芯片		  
//等待时间超长...
void W25QXX_Erase_Chip(void)   
{                                   W25QXX_Write_Enable();                  //SET WEL W25QXX_Wait_Busy();   W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_ChipErase);        //发送片擦除命令  W25QXX_CS=1;                            //取消片选     	      W25QXX_Wait_Busy();   				   //等待芯片擦除结束
}   
//擦除一个扇区
//Dst_Addr:扇区地址 根据实际容量设置
//擦除一个山区的最少时间:150ms
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr)   
{  //监视falsh擦除情况,测试用   printf("fe:%x\r\n",Dst_Addr);	  Dst_Addr*=4096;W25QXX_Write_Enable();                  //SET WEL 	 W25QXX_Wait_Busy();   W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_SectorErase);      //发送扇区擦除指令 SPI1_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>16));  //发送24bit地址    SPI1_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>8));   SPI1_ReadWriteByte((u8)Dst_Addr);  W25QXX_CS=1;                            //取消片选     	      W25QXX_Wait_Busy();   				   //等待擦除完成
}  
//等待空闲
void W25QXX_Wait_Busy(void)   
{   while((W25QXX_ReadSR()&0x01)==0x01);   // 等待BUSY位清空
}  
//进入掉电模式
void W25QXX_PowerDown(void)   
{ W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_PowerDown);        //发送掉电命令  W25QXX_CS=1;                            //取消片选     	      delay_us(3);                               //等待TPD  
}   
//唤醒
void W25QXX_WAKEUP(void)   
{  W25QXX_CS=0;                            //使能器件   SPI1_ReadWriteByte(W25X_ReleasePowerDown);   //  send W25X_PowerDown command 0xAB    W25QXX_CS=1;                            //取消片选     	      delay_us(3);                               //等待TRES1
}

SPI的讲解到这里就结束啦,有不懂的可以评论!!!


http://chatgpt.dhexx.cn/article/8kYyIWZJ.shtml

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介绍 JVM中的程序计数寄存器&#xff08;Program Counter Register&#xff09;中&#xff0c;Register的命名源于CPU的寄存器&#xff0c;寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。这里&#xff0c;并非是广义上所指的物理寄存器&#xff0c;或许…

程序计数器介绍

JVM中的程序计数寄存器&#xff08;Program Counter Register&#xff09;中&#xff0c;Register的命名源于CPU的寄存器&#xff0c;寄存器存储指令相关的现场信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。这里&#xff0c;并非是广义上所指的物理寄存器&#xff0c;或许将其翻…

计算机组成原理 程序计数器实验

程序计数器实验 实验环境 计算机组成原理实验环境 实验目的 连接程序计数器、地址寄存器、存储器与指令寄存器&#xff0c;理解程序计数器的作用。掌握使用微命令通过程序计数器从存储器中读取指令和数据的方法。 实验要求 做好实验预习&#xff0c;实验之前填写好表 7-4…

2、程序计数器

1、定义&#xff1a; 程序计数器是一块较小的内存空间&#xff0c;它可以看作是&#xff1a;保存当前线程所正在执行的字节码指令的地址(行号)。由于Java虚拟机在多线程模式下是通过线程轮流切换并分配CPU时间片的方式来实现的&#xff0c;因此当某一线程的时间片用完&#xff…

一文理解JVM的程序计数器(PC)

目录 1 功能演示 2 跳转、循环等执行的执行原理 3 关于PC的面试题 JVM中的程序计数寄存器&#xff08;Program Counter Register&#xff09;中&#xff0c;Register的命名源于CPU的寄存器&#xff0c;寄存器存储指令相关的信息。CPU只有把数据装载到寄存器才能够运行。但是…

程序计数器

一 程序计数器概念 程序计数器是一块较小的内存空间&#xff0c;它的作用可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在虚拟机的概念模型里&#xff08;仅是概念模型&#xff0c;各种虚拟机可能会通过一些更高效的方式去实现&#xff09;1.字节码解释器工作时就是通过改变…

程序计数器的作用--简单易懂

3.程序计数器 什么是程序计数器&#xff0c;它是干什么用的&#xff1f; java中程序计数器是用寄存器实现的&#xff0c;它的作用是寻找下一个要执行的程序。 当我们的java程序被编译成二进制字节码文件后&#xff0c;如下图&#xff1a; 右面&#xff0c;是我们写的代码&…

程序计数器是什么(PC)?

在学习操作系统、JVM的时都可以看到程序计数器&#xff08;PC&#xff09;的身影&#xff0c;但是对于程序计数器的概念一直是模模糊糊&#xff0c;这篇就稍微讲一下什么是PC&#xff1f; 一、JVM层面 什么叫做“程序计数器”&#xff1f;它能做什么&#xff1f; 程序计数器…

什么叫做“程序计数器”?它能做什么?

什么叫做“程序计数器”&#xff1f;它能做什么&#xff1f; 程序计数器在JMM中的位置如下 是一个线程独享的数据区域&#xff0c;也就是说&#xff0c;每个线程之间的数据相互不干扰&#xff0c;是一个线程内存空间。 程序计数器 内存空间是不大的&#xff0c;第一眼看到这个…