软件模拟SPI接口程序代码

article/2025/8/23 7:57:02

SPI协议简介

SPI接口介绍

SPI接口连接图

SPI数据传输方向

SPI传输模式

模拟SPI程序

SPI协议简介

SPI的通信原理很简单，一般主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或者多个从设备，通常采用的是4根线，它们是MISO（数据输入，针对主机来说）、MOSI（数据输出，针对主机来说）、SCLK（时钟，主机产生）、CS/SS（片选，一般由主机发送或者直接使能，通常为低电平有效）

SPI接口介绍

SCK：时钟信号，由主设备产生，所以主设备SCK信号为输出模式，从设备的SCK信号为输入模式

CS：使能信号，由主设备控制从设备，所以主设备CS信号为输出模式，从设备的CS信号为输入模式。

MOSI：主设备数据输出，从设备输入，所以主设备MOSI信号为输出模式，从设备的MOSI信号为输入模式

MISO：主设备数据输入，从设备数据输出，所以主设备MISO信号为输入模式，从设备的MISO信号为输出模式

SPI接口连接图

注意：MOSI和MISO不能交叉连接（可以把主从机理解为一个整体系统，MOSI为系统主机发送从机接收的数据线，MISO为主机接收从机发送的数据线）

SPI数据传输方向

SPI作为全双工的串行通信协议，数据传输时高位在前，低位在后。主机和从机公用由主机产生的SCK信号，所以在每个时钟周期内主机和从机有1bit的数据交换（因为MOSI和MISO数据线上的数据都是在时钟的边沿处被采样）。如下图

SPI协议规定数据采样是在SCK的上升沿或下降沿时刻（由SPI模式决定，下面会说到），观察上图，在SCK的边沿处（上升沿或下降沿），主机会在MISO数据线上采样（接收来从机的数据），从机会在MOSI数据线上采样（接受来自主机的数据），所以每个时钟周期中会有一bit的数据交换。

SPI传输模式

SPI总线传输一共有4种模式，这4种模式分别由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）来定义。

CPOL:规定了SCK时钟信号空闲状态的电平

CPHA：规定了数据是在SCK时钟的奇数边沿还是偶数边沿被采样

模式0：CPOL=0,CPHA=0 SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样（提取数据）。

模式1：CPOL=0,CPHA=1 SCK空闲为低电平，数据在SCK的下降沿被采样（提取数据）

模式2：CPOL=1,CPHA=0 SCK空闲为高电平，数据在SCK的下降沿被采样（提取数据）

模式3：CPOL=1,CPHA=1 SCK空闲为高电平，数据在SCK的上升沿被采样（提取数据）

以模式0为例，SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样（提取数据），在SCK的下降沿奇幻数据线的数据。

在时钟的第一个上升沿（游标1处）（采样点）

MOSI上数据为1，则在此边沿从机采样，数据为1，采样点在MOSI数据线的中间

MISO上数据为0，则在此边沿从机采样，数据为0，采样点在MISO数据线的中间

在时钟的第一个下降沿（游标2处）（触发点）

MOSI上数据由1切换为0，数据在时钟的下降沿时切换数据

MISO上数据由0切换为1，数据在时钟的下降沿时切换数据

在时钟的第2~8个上升沿（采样点），主机在MISO上采样数据，从机在MOSI上采样数据
在时钟的第2~8个下降沿（触发点），主机在MISO上切换数据，从机在MOSI上切换数据

模拟SPI程序

初始化代码

#define    SPI_SCK_PIN            GPIO_PIN_5
#define    SPI_SCK_GPIO_PORT      GPIOA
#define    SPI_MOSI_PIN           GPIO_PIN_7
#define    SPI_MOSI_GPIO_PORT     GPIOA
#define    SPI_MISO_PIN           GPIO_PIN_6
#define    SPI_MISO_GPIO_PORT     GPIOA
#define    SPI_NSS_PIN            GPIO_PIN_14
#define    SPI_NSS_GPIO_PORT      GPIOOD#define    SPI_SCK_GPIO_CLK_ENABLE()     HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT,                                 SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_SET)  
#define MOSI_L  HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN,                         GPIO_PIN_RESET)  
#define SCK_H   HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_SET)  
#define SCK_L   HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN,             GPIO_PIN_RESET)  
#define MISO    HAL_GPIO_ReadPin(SPI_MISO_GPIO_PORT, SPI_MISO_PIN) 
#define NSS_H   HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_SET)  
#define NSS_L   HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN,     GPIO_PIN_RESET) void SPI_Init(void)
{  /*##-1- Enable peripherals and GPIO Clocks #########################*//* Enable GPIO TX/RX clock */SPI_SCK_GPIO_CLK_ENABLE();SPI_MISO_GPIO_CLK_ENABLE();SPI_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE();SPI_NSS_GPIO_CLK_ENABLE();/*##-2- Configure peripheral GPIO #######################*//* SPI SCK GPIO pin configuration  */GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.Pin       = SPI_SCK_PIN;GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLDOWN;GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;HAL_GPIO_Init(SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_SET);/* SPI MISO GPIO pin configuration  */GPIO_InitStruct.Pin = SPI_MISO_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;HAL_GPIO_Init(SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);/* SPI MOSI GPIO pin configuration  */GPIO_InitStruct.Pin = SPI_MOSI_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;HAL_GPIO_Init(SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_SET);GPIO_InitStruct.Pin = SPI_NSS_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;HAL_GPIO_Init(SPI_NSS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_SET);}

模拟SPI4种工作模式：

/*CPOL = 0 , CPHA = 0，MSB first*/
uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE0(uint8_t write_data)
{uint8_t i, read_data;for(i=0;i<8;i++){if(write_data & 0x80)MOSI_H;elseMOSI_L;write_data <<= 1;delay_us(1);SCK_H;read_data <<= 1;if(MISO)read_data++;delay_us(1);SCK_L;__nop();    }return read_data;}/* CPOL=0，CPHA=1, MSB first */
uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE1(uint8_t byte) 
{uint8_t i,Temp=0;for(i=0;i<8;i++)     // 循环8次{SCK_H;     //拉高时钟if(byte&0x80){MOSI_H;  //若最到位为高，则输出高}else      {MOSI_L;   //若最到位为低，则输出低}byte <<= 1;     // 低一位移位到最高位delay_us(1);SCK_L;     //拉低时钟Temp <<= 1;     //数据左移if(MISO)Temp++;     //若从从机接收到高电平，数据自加一delay_us(1);}return (Temp);     //返回数据
}/* CPOL=1，CPHA=0, MSB first */
uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE2(uint8_t byte) 
{uint8_t i,Temp=0;for(i=0;i<8;i++)     // 循环8次{if(byte&0x80){MOSI_H;  //若最到位为高，则输出高}else      {MOSI_L;   //若最到位为低，则输出低}byte <<= 1;     // 低一位移位到最高位delay_us(1);SCK_L;     //拉低时钟Temp <<= 1;     //数据左移if(MISO)Temp++;     //若从从机接收到高电平，数据自加一delay_us(1);SCK_H;     //拉高时钟}return (Temp);     //返回数据
}/* CPOL = 1, CPHA = 1, MSB first */
uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE3( uint8_t write_dat )
{uint8_t i, read_dat;for( i = 0; i < 8; i++ ){SCK_L; if( write_dat & 0x80 )MOSI_H;  else                    MOSI_L;  write_dat <<= 1;delay_us(1);	SCK_H; read_dat <<= 1;  if( MISO ) read_dat++; delay_us(1);__nop();}return read_dat;
}