SPI接口原理与配置

article/2025/8/23 7:56:16

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内部结构简明图

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。 S

CLK 时钟信号，由主设备产生。

CS 从设备片选信号，由主设备控制。

从图中可以看出，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。寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的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。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。

SPI 主要特点有：可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。

从器件选择 (NSS) 引脚管理

可以使用 SPI_CR1 寄存器中的 SSM 位设置硬件或软件管理从器件选择。

● 软件管理 NSS (SSM = 1)

从器件选择信息在内部由 SPI_CR1 寄存器中的 SSI 位的值驱动。外部 NSS 引脚空闲，可供其它应用使用。

● 硬件管理 NSS (SSM = 0)

根据 NSS 输出配置（SPI_CR1 寄存器中的 SSOE 位），硬件管理 NSS 有两种模式。

— NSS 输出使能（SSM = 0，SSOE = 1）

仅当器件在主模式下工作时才使用此配置。当主器件开始通信时，NSS 信号驱动为低电平，并保持到 SPI 被关闭为止。

— NSS 输出禁止（SSM = 0，SSOE = 0）

对于在主模式下工作的器件，此配置允许多主模式功能。对于设置为从模式的器件，NSS 引脚用作传统 NSS 输入：在 NSS 为低电平时片选该从器件，在 NSS 为高电平时取消对它的片选。

时钟相位和时钟极性

SPI 总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI 主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。

数据帧格式

移出数据时 MSB 在前还是 LSB 在前取决于 SPI_CR1 寄存器中 LSBFIRST 位的值。每个数据帧的长度均为 8 位或 16 位，具体取决于使用 SPI_CR1 寄存器中的 DFF 位。所选的数据帧格式适用于发送和/或接收。

状态标志

应用可通过三种状态标志监视 SPI 总线的状态。

发送缓冲区为空 (TXE) ：此标志置 1 时，表示发送缓冲区为空，可以将待发送的下一个数据加载到缓冲区中。对 SPI_DR 寄存器执行写操作时，将清零 TXE 标志。

接收缓冲区非空 (RXNE) ：此标志置 1 时，表示接收缓冲区中存在有效的已接收数据。读取 SPI_DR 时，将清零该标志。

BUSY ：BSY 标志由硬件置 1 和清零（对此标志执行写操作没有任何作用）。BSY 标志用于指示 SPI 通信的状态。

SPI中断

SPI引脚配置（3个SPI)

哪些引脚可以复用为SPIx的相应功能引脚，需要查数据手册。

W25Q128 的容量为 128Mb。ALIENTEK 所选择的 W25Q128 容量为 128Mb，也就是 16M 字节。 W25Q128 将 16M 的容量分为 256 个块（Block），每个块大小为 64K 字节，每个块又分为 16 个扇区（Sector），每个扇区 4K 个字节。W25Q128 的最小擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除 4K 个字节。这样我们需要给 W25Q128 开辟一个至少 4K 的缓存区，这样对 SRAM 要求比较高，要求芯片必须有 4K 以上 SRAM 才能很好的操作。 W25Q128 的擦写周期多达 10W 次，具有 20 年的数据保存期限，支持电压为 2.7~3.6V， W25Q128 支持标准的 SPI，还支持双输出/四输出的 SPI，最大 SPI 时钟可以到 80Mhz（双输出时相当于 160Mhz，四输出时相当于 320M）。

硬件连接