软件模拟SPI程序代码

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概述：
　　　通过两个MCU（STM32F103）来模拟SPI的主从机，完成主机发送从机接收，便于理解SPI协议。

SPI协议简介

●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，从设备数据输入，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(接收来自主机的数据)，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	CPHA
规定了SCK时钟信号空闲状态的电平	规定了数据是在SCK时钟的上升沿还是下降沿被采样
-----------	------------------------------------
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的下降沿切换数据线的数据。

　 ◐在时钟的第1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(提取)数据为1，采样点在MOSI数据线的中间。
　　MISO上数据为0，则在此边沿主机采样(提取)数据为0，采样点在MISO数据线的中间。
　 ◐在时钟的第1个下降沿(游标2处)(切换点)
　　MOSI上数据由1切换为0，，数据在时钟下降沿时切换数据。
　　MISO上数据由0切换为1，，数据在时钟下降沿时切换数据。
　◐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(切换点)，主机在MISO上切换数据，从机在MOSI上切换数据。

通过两个单片机模拟SPI来加深理解

利用了STM32F103VET6和STM32F103C8T6(身边只有这两块了)两款MUC。

※硬件连接方式

主机- STM32F103VET6	从机-STM32F103C8T6
(主机产生) SCK→	→SCK(从机被动)
(主机产生) CS→	→CS (从机被动)
(主机发送)MOSI →	→MOSI (从机接收)
(主机接收) MISO ←	←MISO (从机发送)

●注意：MOSI连接MOSI，MISO连接MISO(不能像串口那样交叉连接)。

✯SPI模式

采用模式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) ，在SCK的下降沿被切换。

✯程序思路

★主机拉低CS开始传输数据，在SCK上升沿之前保持MOSI上有稳定的数据输出(因为从机要在SCK的上升沿去采样(提取数据)，所以主机在SCK上升沿之前要完成发送数据的放置)。
　　★从机在CS拉低后(CS有下降沿)开始数据的接收(在SCK的上升沿采集MOSI上的数据)。

✯主机C代码+波形

/*SPI发送函数*/
//时钟的上升沿采样数据,下降沿切换数据   先发送高位
void SPI_Write(uint8_t Data)
{uint8_t i=0;CS_L;	//片选拉低开始传输数据/*循环8次,发送8bit数据*/for(i=0;i<8;i++)	{/*切换数据*/if(Data&0x80)//通过8次循环移位,将一个字节的数据，由高到低一位一位的放置到数据线上{MOSI_H;}else{MOSI_L;}SCK_L;//产生下降沿,准备切换数据delay_us(1);//(可忽略,这里是因为接收时此单片机外部中断上升沿触发有时延,SCK太快无法准确提取数据)SCK_H;	//产生上升沿(从机在此上升沿时采集数据)Data <<= 1;}MOSI_L;SCK_L;CS_H;	//片选拉高等待下次数据传输
}
int main()
{int i=0,j=0;SysTick_init();SPI_GPIO_Config();while(1){SPI_Write(0xA5);}
}

●注意：上面1us的延时[delay_us(1)]此处可以忽略，这里是因为接收时此单片机外部中断上升沿触发有时延,SCK太快无法准确提取数据，利用其他方式解析从机数据的请忽略。(详细了解请参考博文:STM32外部中断边沿触发存在延时问题)。
　　★代码解析：要了解代码思路，就要时刻记得我们采用SPI的是模式0(SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)，下降沿被切换 )，所以1Byte数据放置完毕后，SCK要拉低，CS要拉高，MOSI要恢复默认电平，但是每Bit数据在SCK拉低时被放置到MOSI数据线(因为SCK上升沿前要确保稳定的数据(因为接收数据最好是在数据的中间采样)，这样从机才可以在上升沿采样到正确的数据)。所谓放置数据，其实就是在每次SCK拉高之前对MOSI引脚赋值。比如我们发送的数据为0xA5(1010_0101)。

在上图中标号2处的下降沿处切换数据，上升沿之前保证了MOSI上(游标1)处有稳定的1bit数据(1)，随后的7个上升沿也一样分析。
✯主机产生的波形
)
　　★波形解析：通道１数据:SCK
　　　　　　　　通道２数据:MOSI
　　　　　　　　通道３数据:CS
　　　在上图中可以观察到整个数据的传输是在片选CS为低的时刻进行的。在SCK下降沿时主机对MOSI数据线上的数据进行了切换，在SCK上升沿之前完成了1bit数据的发送。完成1Byte数据的发送后，SC置高，CS置高，MOSI置低，为下一帧数据做准备。

✯从机C代码+波形

/*SPI接收数据*/
uint8_t SPI_Read()
{/*CS下降沿*/if(CS_Trigger_Falling == 1){CS_Trigger_Falling = 0;/*SCK上升沿*/for(i=0;i<8;i++){while(SCK_Trigger_Rising != 1);//等待上升沿SCK_Trigger_Rising = 0;Data_Rec<<=1;if(MOSI_State)//在SCK上升沿时提取数据{		Data_Rec ++;	Rec_Data1[i] = 1;	}else{}}}return Data_Rec;
}
int main()
{SysTick_init();SPI_GPIO_Config();EXTI_PB1_Config();EXTI_PA2_Config();while(1){Get_Data = SPI_Read();}
}
/*外部中断0中断*/
void EXTI1_IRQHandler(void)//中断服务函数
{if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) != RESET )//reset为清零（!=reset等价于IT=1）{SCK_Trigger_Rising = 1;EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);}}
void EXTI2_IRQHandler(void)//中断服务函数
{if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line2) != RESET )//reset为清零（!=reset等价于IT=1）{CS_Trigger_Falling = 1;EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line2);}}

★代码解析：从机采用了外部中断的方式去采集CS的下降沿和SCK的上升沿(从机以CS下降沿为数据接收的开始，以SCK的上升沿作为每bit数据的采样点)。(★★★有好的方法欢迎指导)
　　●CS下降沿提取波形：图中紫色信号为CS下降沿点。
　　
　　●SCK上升沿提取波形：下图中紫色信号为SCK上升沿的提取(即从机接收MOSI数据线上的采样点)。

　　●提取数据(数据采样)：紫色信号处(采样点)MOSI上的数据即为从机接收到的数据，仔细观察采样点几乎在稳定数据的中间点(因为之前所说的边沿检测存在延迟，所以采样点略微偏移中心点，参考链接STM32外部中断边沿触发存在延时问题)。

✯从机接收数据结果：0xA5

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★★★如有错误欢迎指导。