STM32 单片机开发 - SPI 总线
一、SPI 总线概念
SPI 总线 --- Serial Peripheral Interface，即串行外设接口
- SPI 是摩托罗拉公司设计的一款 串行、同步、全双工总线；
- SPI 总线是三线 / 四线制总线，分别是：SPI_SCK（时钟线）、SPI_MOSI（串行发送线）、SPI_MISO（串行接收线）、SPI_NSS / CSS（片选线 ）；
- SPI 总线通信速率一般 达到 Mbps；
- SPI 总线应用场景：数码管（中控屏）、LCD 屏……
- SPI 总线支持主从机模式，支持多主机多从机，一般使用单主机多从机。
二、SPI 总线硬件连接
SPI 总线为三线制 / 四线制：
- SPI_SCK：时钟线 - 对使用 SPI 总线通信的两个设备进行时钟同步；
- SPI_MOSI：串行发送线 - 主机输出，从机输入；
- SPI_MISO：串行接收线 - 主机输入，从机输出
- SPI_NSS / NCS：片选线 - CS：Chip Select（芯片选择），N（多根、多个）。
SPI 总线支持主从机模式（Master / Slaver）
M：Master O：Output S：Slaver I：Input
当使用 SPI 总线通信时，存在多个从机设备，主机如何找到要通信的从机？
SPI 总线通过 SPI_NSS/NCS 片选线进行从机选择；
每一个挂载在 SPI 总线的从机设备，都有一根自己私有的 NSS/NCS 片选线和主机相连；
SPI 总线上的主机将需要通信的从机的 NSS/NCS 片选线电平信号拉低，就代表要和对应的主机进行通信。
2.1 四线制连接方式 - 多从机
四线制时，每个从机的 SPI_NSS/NCS 片选线都和主机单独相连。
2.2 三线制连接方式 - 单从机
单从机时，主机和从机的 SPI_NSS/NCS 片选线可以直接接 GND，这样片选线上的电平一直为低电平，这样主机和从机都知道对方可以通信，直接进行数据收发。
三、SPI 总线时序图
起时信号：NSS / NCS 片选线上的电平信号从 高电平 -> 低电平 信号，产生一个下降沿信号时，代表主机要和对应从机通信，也代表一次 SPI 总线通信的开始。
终止信号：NSS / NCS 片选线上的电平信号从 低电平 -> 高电平 信号，产生一个上升沿信号时，代表主机要和对应从机断开连接，也代表一次 SPI 总线通信的结束。
数据发送信号（触发信号）：SCK 时钟线处于上升沿变化期间，MOSI 数据线上主机可以发送数据，MISO 数据线上从机也可以发送数据；
数据读取信号（采样信号）：SCK 时钟线处于下降沿变化期间，MOSI 数据线上主机可以接收数据，MISO 数据线上从机也可以接收数据。
SPI 总线通信的最小数据单位是字节，一般为 8 位（1 字节）或者 16 位（2 字节）。
NSS / NCS 片选线为低电平状态时，SPI 总线处于占用状态，数据线上有实际数据传输；
NSS / NCS 片选线为高电平状态时，SPI 总线处于空闲状态，数据线上无实际数据传输。
3.1 SPI 总线的全双工通信
- 场景：主机发送 0xFF，从机发送 0x00
- 时钟周期操作：
- 上升沿期间：主机通过 MOSI 数据线发送 0xFF 中的 1 位数据，同时从机通过 MISO 数据线发送 0x00 中的 1 位数据。
- 下降沿期间：从机通过 MOSI 数据线接收 0xFF 中的 1 位数据，同时主机通过 MISO 数据线接收 0x00 中的 1 位数据。
- 8 个时钟周期后：
- 主机：通过 MOSI 发送完毕 0xFF，同时通过 MISO 接收完毕 0x00。
- 从机：通过 MISO 发送完毕 0x00，同时通过 MOSI 接收完毕 0xFF。
与 IIC 总线的对比（8 个时钟周期）：
- IIC 总线：主机可发送完毕 0xFF 数据，从机可接收完毕 0xFF 数据。
- SPI 总线：主机可发送完毕 0xFF 且接收完毕 0x00；从机可发送完毕 0x00 且接收完毕 0xFF。
三、SPI 总线的工作模式 - 协议格式
SPI 总线的工作模式（协议格式）和 SPI 总线的 时钟极性 CPOL 、时钟相位 CPHA 相关。
时钟极性（CPOL）：时钟线初始状态的电平信号；
CPOL = 0：SCK 时钟线初始电平信号时低电平信号；
CPOL = 1：SCK 时钟线初始电平信号时高电平信号。
时钟相位（CPHA）：SPI 总线进行数据采样（数据读取）是处于奇数沿还是偶数沿；
CPHA = 0：SPI 总线在 SCK 时钟线的奇数沿进行数据采样；
CPHA = 1：SPI 总线在 SCK 时钟线的偶数沿进行数据采样。
图 5 SPI 总线工作模式
3.1 CPOL = 0，CPHA = 0 - 工作模式
图 6 CPOL = 0，CPHA = 0 CPOL = 0，CPHA = 0 时：
SCK 时钟线初始状态电平为 低电平 信号，SCK 时钟线处于 奇数沿 时，进行 数据采样
SCK 上升沿期间：主机 / 从机可以从 MOSI / MISO 数据线上 读取数据；
SCK 下降沿期间：主机 / 从机可以从 MOSI / MISO 数据线上 写入数据。
3.2 CPOL = 0，CPHA = 1 - 工作模式
图 7 CPOL = 0，CPHA = 1 CPOL = 0，CPHA = 1 时：
SCK 时钟线初始状态电平为 低电平 信号，SCK 时钟线处于 偶数沿 时，进行 数据采样
SCK 上升沿期间：主机 / 从机可以从 MOSI / MISO 数据线上 写入数据；
SCK 下降沿期间：主机 / 从机可以从 MOSI / MISO 数据线上 读取数据。
3.3 CPOL = 1，CPHA = 0 - 工作模式
图 8 CPOL = 1，CPHA = 0 CPOL = 1，CPHA = 0 时：
SCK 时钟线初始状态电平为 高电平 信号，SCK 时钟线处于 奇数沿 时，进行 数据采样
SCK 上升沿期间：主机 / 从机可以从 MOSI / MISO 数据线上 写入数据；
SCK 下降沿期间：主机 / 从机可以从 MOSI / MISO 数据线上 读取数据。
3.4 CPOL = 1，CPHA = 1 - 工作模式
图 9 CPOL = 1，CPHA = 1 CPOL = 1，CPHA = 1 时：
SCK 时钟线初始状态电平为 高电平 信号，SCK 时钟线处于 偶数沿 时，进行 数据采样
SCK 上升沿期间：主机 / 从机可以从 MOSI / MISO 数据线上 读取数据；
SCK 下降沿期间：主机 / 从机可以从 MOSI / MISO 数据线上 写入数据。
3.5 SPI 总线通信要求
两个设备要使用 SPI 总线通信，必须：
- 两个设备的 SPI 总线的工作模式（协议格式）要相同；
- 工作模式相同就是：两个设备的时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）相同。
图 10 M74HC595 芯片的时钟极性和时钟相位