MCU微课堂 | CKS32F107XX系列串行外设接口介绍

SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它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在布局上节省了空间。正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，它被广泛地使用在ADC、LCD、FLASH等设备与MCU之间。

中科芯CKS32F107xx系列产品拥有3路SPI接口，允许芯片与外部设备以半/全双工、同步、串行方式通信。此接口可以被配置成主模式，并为外部从设备提供通信时钟(SCK)。支持以多主配置的方式工作。下面就SPI相关特性进行介绍。

SPI主要特征

SPI特征

● 3线全双工同步传输

● 带或不带第三根双向数据线的双线单工同步传输

● 8或16位传输帧格式选择

● 主或从操作

● 支持多主模式

● 8个主模式波特率预分频系数(最大为fPCLK/2)

● 从模式频率(最大为fPCLK/2)

● 主模式和从模式的快速通信

● 主模式和从模式下均可以由软件或硬件进行NSS管理：主/从操作模式的动态改

● 可编程的时钟极性和相位

● 可编程的数据顺序，MSB在前或LSB在前

● 可触发中断的专用发送和接收标志

● SPI总线忙状态标志

● 支持可靠通信的硬件CRC

─ 在发送模式下，CRC值可以被作为最后一个字节发送

─ 在全双工模式中对接收到的最后一个字节自动进行CRC校验

● 可触发中断的主模式故障、过载以及CRC错误标志

● 支持DMA功能的1字节发送和接收缓冲器：产生发送和接受请求

SPI功能描述    

SPI概述

SPI的方框图见下图。

图1 SPI方框图

图中的①处是SPI的引脚MOSI、MISO、SCK、NSS。CKS32F107xx系列芯片通过以上四个引脚将SPI通讯信号引出到不同GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚。关于GPIO引脚的复用功能可以查阅芯片数据手册。各个引脚的作用介绍如下：

●NSS：从设备选择信号线，常称为片选信号线。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时，设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3条总线；而每个从设备都有独立的一条NSS信号线，当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。

●SCK：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

●MOSI：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。

●MISO：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。

图中的②处是SCK线的时钟信号，由波特率发生器根据“控制寄存器CR1”中的BR[0:2]位控制，该位是对fpclk时钟的分频因子，对fpclk的分频结果就是SCK引脚的输出时钟频率。

图中的③处是SPI的数据控制逻辑。SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的内容来源于接收缓冲区及发送缓冲区以及MISO、MOSI线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。通过写SPI的“数据寄存器DR”把数据填充到发送缓冲区中，通过“数据寄存器DR”，可以获取接收缓冲区中的内容。其中数据帧的长度可以通过“控制寄存器CR1”的“DFF位”配置成8位及16位模式；配置“LSBFIRST位”可选择MSB先行还是LSB先行。

图中的④处是SPI的整体控制逻辑。整体控制逻辑负责协调整个SPI外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变，基本的控制参数包括SPI模式、波特率、LSB先行、主从模式、单双向模式等等。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR)”，我们只要读取状态寄存器相关的寄存器位，就可以了解SPI的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生SPI中断信号、DMA请求及控制NSS信号线。实际应用中，我们一般不使用SPI外设的标准NSS信号线，而是更简单地使用普通的GPIO，软件控制它的电平输出。

CKS32F107xx系列产品SPI配置：

接下来我们讲解如何利用CKS32F107xx系列固件库来完成对SPI的配置使用。跟其它外设一样，CKS32标准库提供了SPI初始化结构体及初始化函数来配置SPI外设。了解初始化结构体后我们就能对SPI外设运用自如了,结构体如下图所示：

图2 SPI配置结构体

结构体中各个函数变量的介绍及初始化时可被赋的值如下：

1) SPI_Direction：该函数设置SPI的通讯方向，可设置为双线全双工(SPI_Direction_2Lines_FullDuplex)，双线只接收(SPI_Direction_2Lines_RxOnly)，单线只接收(SPI_Direction_1Line_Rx)、单线只发送模式(SPI_Direction_1Line_Tx)。

2) SPI_Mode：该函数设置SPI工作在主机模式(SPI_Mode_Master)或从机模式(SPI_Mode_Slave)，这两个模式的最大区别为SPI的SCK信号线的时序，SCK的时序是由通讯中的主机产生的。若被配置为从机模式，CKS32的SPI外设将接受外来的SCK信号：

3) SPI_DataSize:该函数可以选择SPI通讯的数据帧大小是为8位(SPI_DataSize_8b)还是16位(SPI_DataSize_16b)。

4) SPI_CPOL和SPI_CPHA:这两个函数配置SPI的时钟极性CPOL和时钟相位CPHA，前面讲过这两个配置影响到SPI的通讯模式。时钟极性CPOL成员可设置为高电平(SPI_CPOL_High)或低电平(SPI_CPOL_Low)。时钟相位CPHA则可以设置为SPI_CPHA_1Edge(在SCK的奇数边沿采集数据)或SPI_CPHA_2Edge(在SCK的偶数边沿采集数据)，具体组合设置方式可参考图2。

图3 数据时钟时序图

5) SPI_NSS:该函数配置NSS引脚的使用模式，可以选择为硬件模式(SPI_NSS_Hard)与软件模式(SPI_NSS_Soft)，在硬件模式中的SPI片选信号由SPI硬件自动产生，而软件模式则需要我们自己把相应的GPIO端口拉高或置低产生非片选和片选信号。实际中软件模式应用比较多。

6) SPI_BaudRatePrescaler:该函数设置波特率分频因子，分频后的时钟即为SPI的SCK信号线的时钟频率。这个成员参数可设置为fpclk的2、4、8、16、32、64、128、256分频。可选的值如下图所示：

图4 SPI波特率分频

7) SPI_FirstBit:所有串行的通讯协议都会有MSB先行(高位数据在前)还是LSB先行(低位数据在前)的问题，而CKS32F107VET6的SPI模块可以通过这个结构体，对这个特性编程控制。

图5 SPI数据先行方式

8) SPI_CRCPolynomial:这是SPI的CRC校验中的多项式，若我们使用CRC校验时，就使用这个参数(多项式)，来计算CRC的值。

配置完这些结构体成员的值，调用库函数SPI_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。

SPI外设主要可通过主模式和从模式两种方式进行实现，现在就两个模式分别进行讲解。

配置SPI为主模式

在主配置时，在SCK脚产生串行时钟。

配置步骤：

（1）通过SPI_CR1寄存器的BR[2:0]位定义串行时钟波特率；

（2）选择CPOL和CPHA位，定义数据传输和串行时钟间的相位关系(见图4)；

（3）设置DFF位来定义8位或16位数据帧格式；

（4）配置SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位定义帧格式；

（5）如果需要NSS引脚工作在输入模式，硬件模式下，在整个数据帧传输期间应把NSS脚连接到高电平；在软件模式下，需设置SPI_CR1寄存器的SSM位和SSI位。如果NSS引脚工作在输出模式，则只需设置SSOE位；

（6）必须设置MSTR位和SPE位(只当NSS脚被连到高电平，这些位才能保持置位)。在这个配置中，MOSI引脚是数据输出，而MISO引脚是数据输入；

数据发送过程

当写入数据至发送缓冲器时，发送过程开始。在发送第一个数据位时，数据字被并行地(通过内部总线)传入移位寄存器，而后串行地移出到MOSI脚上；MSB在先还是LSB在先，取决于SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位的设置。数据从发送缓冲器传输到移位寄存器时TXE标志将被置位，如果设置了SPI_CR1寄存器中的TXEIE位，将产生中断。

数据接受过程

对于接收器来说，当数据传输完成时：

●传送移位寄存器里的数据到接收缓冲器，并且RXNE标志被置位。

●如果设置了SPI_CR2寄存器中的RXNEIE位，则产生中断。在最后采样时钟沿，RXNE位被设置，在移位寄存器中接收到的数据字被传送到接收缓冲器。读SPI_DR寄存器时，SPI设备返回接收缓冲器中的数据。读SPI_DR寄存器将清除RXNE位。一旦传输开始，如果下一个将发送的数据被放进了发送缓冲器，就可以维持一个连续的传输流。在试图写发送缓冲器之前，需确认TXE标志应该为‘1’。

注：在NSS硬件模式下，从设备的NSS输入由NSS引脚控制或另一个由软件驱动的GPIO引脚控制。

具体初始化代码如下：

单字节收发函数代码如下：

在从模式下，SCK引脚用于接收从主设备来的串行时钟。SPI_CR1寄存器中BR[2:0]的设置不影响数据传输速率。

注：建议在主设备发送时钟之前使能SPI从设备，否则可能会发生意外的数据传输。在通信时钟的第一个边沿到来之前或正在进行的通信结束之前，从设备的数据寄存器必须就绪。在使能从设备和主设备之前，通信时钟的极性必须处于稳定的数值。请按照以下步骤配置SPI为从模式：

配置步骤

（1）设置DFF位以定义数据帧格式为8位或16位。

（2）选择CPOL和CPHA位来定义数据传输和串行时钟之间的相位关系。为保证正确的数据传输，从设备和主设备的CPOL和CPHA位必须配置成相同的方式。

（3）帧格式(SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位定义的“MSB在前”还是“LSB在前”)必须与主设备相同。

（4）硬件模式下(参考从选择(NSS)脚管理部分)，在完整的数据帧(8位或16位)传输过程中，NSS引脚必须为低电平。在NSS软件模式下，设置SPI_CR1寄存器中的SSM位并清除SSI位。

（5）清除MSTR位、设置SPE位(SPI_CR1寄存器)，使相应引脚工作于SPI模式下。在这个配置中，MOSI引脚是数据输入，MISO引脚是数据输出。

数据发送过程

在写操作中，数据字被并行地写入发送缓冲器。当从设备收到时钟信号，并且在MOSI引脚上出现第一个数据位时，发送过程开始(注：此时第一个位被发送出去)。余下的位(对于8位数据帧格式，还有7位；对于16位数据帧格式，还有15位)被装进移位寄存器。当发送缓冲器中的数据传输到移位寄存器时，SPI_SP寄存器的TXE标志被设置，如果设置了SPI_CR2寄存器的TXEIE位，将会产生中断。

数据接受过程

对于接收器，当数据接收完成时：

● 移位寄存器中的数据传送到接收缓冲器，SPI_SR寄存器中的RXNE标志被设置。

● 如果设置了SPI_CR2寄存器中的RXNEIE位，则产生中断。在最后一个采样时钟边沿后，RXNE位被置‘1’，移位寄存器中接收到的数据字节被传送到接收缓冲器。当读SPI_DR寄存器时，SPI设备返回这个接收缓冲器的数值。读SPI_DR寄存器时，RXNE位被清除。

上述部分是SPI的主/从模式理论配置过程，下面开始对实际程序中的代码配置进行分解。程序较为简单，使用单颗CKS32F107VET6的SPI1外设作为主机，SPI2外设作为从机，通过两路外设互相通信（先SPI1发，SPI2收；再SPI2发，SPI1收）的方式实现。

本讲中，我们以简单的数据接收发送为例进行配置，具体初始化代码如下：

SPI中断函数：