一些单片机内置硬件SPI功能，如STC15F2K60S2和昇泉MPC82G516，本文以后者为例，记述了用单片机SPI硬件功能向4位数码显示模块发送串行显示数据的应用过程。重点介绍了硬件SPI的结构功能、发送时序和应用要点，并专门介绍了SPI主机的时钟极性和相位极性，及如何根据从机硬件特点来确定主机参数。
一、 SPI协议简介
SPI是英语Serial Peripheral interface的缩写，中文是串行外围设备接口。主要应用在MPU与 EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器等外设之间传输串行数据。
SPI总线占用四根线，分别是时钟线SPICLK、数据线MISO和MOSI、以及从机选择线/SS，如下图。主机是发起传输的设备，也即产生时钟脉冲的设备，从机在脉冲的作用下被动的接收或发送数据。SPI是双向传输协议，主机和从机在脉冲同步下是互为收发数据的。如果数据仅从主机向从机单向传送，则可省略MISO线。
总线上至少配置一主一从，也可以挂接多个主机或从机。主机多由MPU担任。总线可配置为：
1. 一主一从：可直接将从机SS端接低电平，可节省MPU一个IO口。
2. 二个主机： 2个MPU都配置成主机时，两机SS端直连。发起传输的主机拉低SS线，能把对方强制改为从机。
3. 一主多从：主机用不同I/O口接各从机SS端来实现片选。
二、 硬件介绍
1. 本应用采用一主一从配置。主机是单片机，从机是4位数码管显示模块。该模块不具备完整SPI功能，但能接收SPI串行数据。另外，模块需要占用单片机一个I/O来锁存输出信号。
2. 单片机MPU采用昇泉MPC82G516，内置硬件SPI功能，各引脚功能是：P1.7为脉冲SPICLK，P1.5为数据MOSI。P1.4为片选SS，P1.6为数据MISO。芯片属于51系列，与STC15系列大同小异。但其独特之处在于内置OCD接口（即片上调试功能，On-Chip Debug），可以实现不占用片上资源的在系统调试，能真正实现单步仿真。
3. 4位数码显示模块，采用2片595驱动，分别用于输出数码管的段码和位码。模块有5根针脚，除了电源VCC和GND，3根数据线分别是时钟线CLK、数据线DIO和锁存RCK。如果需要，用2个模块级联可实现8位显示。
三、 发送流程
1. SPI功能由单片机内置硬件实现，每次可发送一个字节。发送指令很简单，只要向SPI数据寄存器SPIDAT写入一个字节即可。单片机执行到该指令后，硬件会自动按照初始化配置，输出脉冲和数据。
2. SPI收发由硬件自动控制进行，发送一个字节的时间，根据SPI时钟频率的设置，约占15－450个机器周期。SPI硬件发完一个字节会置位SPIF标志，并申请中断（如果中断允许）。因此不能连续写SPI，当前一字节未发完时写入数据时，就会造成冲突。发生冲突后，SPI硬件置位冲突标志位WCOL，丢弃新写入的数据，继续完成原字节的发放。
3. SPIF与WCOL是SPI状态寄存器SPISTAT的2个标志位，编程时要注意其特点是“置1清0”。
SPSTAT (地址=84H, SPI状态寄存器, 复位值=00xx,xxxxB)
７.SPIF（ 传输完成标志）
６.WCOL （写冲突标志）
4. SPI硬件单次只发送一个字节。连续发送多个字节，需要用户编程实现，方法一是写指令后，将SPIF置1清0，再循环判断SPIF，等SPIF为1后再发下一字节；方法二是使用SPI中断，在中断服务程序清SPIF，再发下一字节。
四、 SPI参数配置
参数配置通过控制寄存器SPICTL来实现，各控制位的定义如下表及说明。
SPCTL (地址=85H, SPI控制寄存器, 复位值=0000,0100B)
1. 单片机作主机，因此SSIG=1，MSTR=1。
2. 脉冲和相位极性CPOL和CPHA根据从机接收特性来确定。595芯片在“时钟CLK上升沿时采样移入数据”，假设使用正脉冲，则上升沿是其前沿，因此参数取00。如果采用负脉冲，则上升沿为后沿，参数取11。
3. 其他参数比较容易确定：SPEN=1启用SPI功能。DORD根据从机电路确定。SPR1、SPR0取00、01、10、11时，SPI时钟频率为3M、750K、187.5K和93.75K，而595芯片时钟频率可达25M。
五、 数据寄存器的读写
数据寄存器SPIDAT，地址=86H, 复位值=0000,0000B。因其内部SPI硬件实际有3个寄存器，如下图，两个缓冲器共享同一地址，但读写时操作的是不同的寄存器。
发送方向是单缓冲，只有一个发送缓冲器，因此写指令SPIDAT=X执行时，X写入的是该缓冲器，同时启动发送，数据逐位移出到MOSI线上。
接收方向是双缓冲，数据先移入接收移位寄存器，然后传输到并行读数缓冲器中。计时执行读指令X=SPIDAT,读到的X就是该缓冲器的值。该缓冲器在下一字节接收到后被刷新，因此必须及时读取。双缓冲的设计让用户不用担心读到正在移位的中间值。
六、 实际传输时序图解
模块采用了动态扫描驱动方式，每隔1ms刷新显示1位数码管，下图就是用逻辑分析仪采集的一次刷新时序，可见主机发送了2个字节，前一字节是段码，后一字节是位码。图中标示了一个字节发送的各个步骤。
第1行信号为SPI时钟，时钟极性设置为CPOL=0，表示待机时为低电平，脉冲为高电平。时钟相位设置为CPHA=0，表示脉冲前沿为上升沿（从机采样读取数据）、脉冲后沿为下降沿（主机放数据）。第2行信号为SPI数据，在逻辑分析仪软件中指定SPI协议后，软件能识别出数据内容并用蓝色条标示。第3、4两行与SPI协议无关，用于观察写指令及进出中断的时间。第5行是595芯片的锁存信号，上升沿时锁存并输出。
该传输采用了较慢的时钟频率，可以看出传输占时较长。如果MPU任务繁重，应采用中断方式来处理连续发送。
七、 SPI的脉冲、相位极性
SPI协议允许用户定义脉冲和相位极性，共有4种组合。使用哪种输出，取决于从机。下面列出了4种组合发送时序。根据595“上升沿采样”的特性，组合 00、11都符合要求，实测组合10也能正常驱动显示模块，但组合01无效。
脉冲1相位0组合：负脉冲（待机高电平），前沿（下降沿）采样。此时，主机是下降沿采样，但模块的595总是在上升沿时采样，之所以这种方式模块也能识别出正确数据，是因为主机的数据是在脉冲后沿（上升沿）后变更的，此时从机已完成采样。
八、 调试中问题记录及分析
1. 逻辑分析仪采集“锁存RCK信号”时出现干扰（出现少量随机低电平脉冲）
用逻辑分析仪测量，RCK路多出现干扰，但显示模块工作正常。说明SPI硬件发送及显示模块的595芯片接收、识别RCK信号都正常，只是逻辑分析仪采集时识别错误。于是从硬件、软件多处查找问题：
1) 开必板：更换不同晶振、更换开发板、改用MPU其他IO口
2) 分析仪：切换不同输入端、采集点从MPU引脚改到显示模块上、重启分析仪、设置不同采样频率
3) 线路：将RCK采集线远离时钟线等
4) 软件：设置不同的SPI时钟、加大RCK锁存脉冲宽度
但问题依旧。查逻辑分析仪资料，得知：逻辑分析仪有三个重要参数：阈值电压、采样率和采样深度。其中阈值电压是分析区分高低电平的重要参数。逻辑分析仪和单片机都是数字电路，它在读取外部信号的时候，多高电压识别成高电平，多高电压识别成低电平是有一定限制的。比如一款逻辑分析仪，阈值电压是：0.7~1.4V，那么当它采集外部的数字电路信号的时候，高于1.4V识别为高电平，低于0.7V识别为低电平。
RCK信号平时高电平，工作脉冲为低电平。干扰为随机低电平脉冲，说明输出高电平电压时可能偏低，有可能是供电不足所致。而开发板与仿真器都由调试仿真器的ＵＳＢ线供电，实际调试时也可见数码管显示暗淡。当给开发板单独供电后，逻辑分析仪采集信号正常！
2. 中断入口编号问题
写SPI中断服务程序时，从单片机数据手册查到中断号为9#。但调试程序时，始终无法进入中断，后来想到手机中断编号从#1到#14，而C语言可能是从#0到#13，将中断入口号修改为8，程序正常。
九、 代码（查询方式）
给出查询方式的代码，程序执行效果是４位数码管显示按秒加法计数值。
//本程序用SPI功能驱动4位数码管显示模块。使用SPI接口线：
// P1.7 SPICLK 脉冲 与模块上SCLK相连
// P1.5 MOSI 数据线 与模块上DIO相连
// 另外使用P1.3输出595的锁存信号，与模拟上的RCLK相连
// 595使用要点：脉冲SCK上升沿时采集移入数据，锁存RCK上升沿时锁存输出
// SPI主机传送模式，时钟和相位极性设置为00或11时均可
#include
unsigned char code LedChar[] = { //数码管段码字符转换表
0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8,
0x80, 0x90, 0x88, 0x83, 0xC6, 0xA1, 0x86, 0x8E};
unsigned char code segbit[]={ //8位数码管位码表，本例根据电路仅用4位
0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01};
unsigned char LedBuff[4]={0,0,0,0}; //数码管显示缓冲区
sbit RCK=P1^3; //锁存信号，上升沿有效
sbit LED=P1^0; //标记1，用于调试
sbit LED_P11=P1^1; //标记2，用于调试
sbit LED_P12=P1^2; //标记3，用于调试
unsigned char i = 0; //动态扫描的索引
unsigned int cnt = 0; //记录 T0 中断次数
unsigned long sec = 0; //记录经过的秒数
void LED_OUT(unsigned char X)
{
LED_P11=!LED_P11; //
SPIDAT = X; //写一个字节到SPI发送缓冲区
while(!(SPISTAT & 0x80)); //查询SPIF标志位，为0时循环等待，为1时退出往下
LED_P11=!LED_P11;
SPISTAT = 0x80; //对SPIF标志位 写1置0
}
void Timer0_isr(void) interrupt 1 using 1
{
TH0 = 0xFC; //T0初值，定时 1ms
TL0 = 0x18;
cnt++; //计数值自加 1
//以下代码动态扫描刷新1位数码管显示
i++; //i从0到3循环，每次刷新1位显示
if (i == 0)
{ LED_OUT(LedBuff[0]);LED_OUT(0x01); } //发送段码、位码
else if (i == 1)
{ LED_OUT(LedBuff[1]);LED_OUT(0x02); }
else if (i == 2)
{ LED_OUT(LedBuff[2]);LED_OUT(0x04); }
else if (i == 3)
{ LED_OUT(LedBuff[3]);LED_OUT(0x08);i=0xFF; } ; //修改循环变量i
RCK=0; //向595芯片发锁存脉冲信号
RCK=1;
}
void main()
{
TMOD = 0x01; //设置T0为模式1：16位定时器，脉冲默认12T模式
TH0 = 0xFC; //为 T0 赋初值 0xFC67，定时 1ms
TL0 = 0x18;
//设置SPI控制寄存器：
SPICTL=0xD0; //高4位1101：SSIG：内控模式，1：由MSTR决定主从模式。
// SPEN：SPI功能开关，1：打开
// DORD：SPI数据顺序，1：LSB，0：MSB
// MSTR：主从机模式，1：主机
//低4位0000：CPOL时钟极性，0待机低电平，前沿上升沿，后沿下降沿
// CPHA：时钟相位，当SSIG＝1时，CPHA必须为0
// SPR1/SPR0：时钟速度分别为4/16/64/1 28分频
//AUXIE |= 0x01; //开启SPI中断，APUXIE.0位为ESPI
//AUXIP |= 0x01; //SPI中断优先级为1级
//AUXIPH |= 0x01; //SPI中断优先级提为3级
//IP &= 0xFD; //T0中断优先级为0级
//IPH &= 0xFD; //T0中断优先级为0级
EA=1; //开总中断
ET0=1; //开T0中断
TR0 = 1; //启动 T0
i=0; //初始化三个全局变量
cnt=0;
sec=0;
LedBuff[0] = 0xC0; //初始化4个显示缓存
LedBuff[1] = 0xC0;
LedBuff[2] = 0xC0;
LedBuff[3] = 0xC0;
while (1)
{
if (cnt >= 1000) //T0溢出1000次为1秒
{
cnt = 0; //计数值复位
sec++; //秒计数自加 1
LED=~LED; //指示灯反相（P1.0如果接有LED可观察到闪烁）
//秒值转换为4位十进数，再查表得到段码送缓存
LedBuff[0] = LedChar[sec];
LedBuff[1] = LedChar[sec/10];
LedBuff[2] = LedChar[sec/100];
LedBuff[3] = LedChar[sec/1000];
}
}
}
来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_57ad1bd20102x8zy.html
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