Arduino 与 SPI 结合使用 以及SPI 深层理解

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本文主要讲解两部分内容，不做任何转发，仅个人学习记录:

一. Arduino 与 SPI 结合使用  ：

二. SPI 深层理解

有价值的几个好的参考：

1. 中文版： https://blog.csdn.net/xxxxxx91116/article/details/42620413  这版本适合比较容易理解大概， 细节翻译还是要去英文版：https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SPIEEPROM

2 .https://www.cnblogs.com/adylee/p/5399742.html  以及 https://blog.csdn.net/weixin_40117614/article/details/84070130（其中：2.2传输数据步骤如下 mode似乎弄混了，mode0与mode2在第一次采样之前已发送1bit 而mode1和mode3则是正常的发送再采样，有待考证）

一. Arduino 与 SPI 结合使用  ：

1.串行外围设备接口入门（Introduction to the Serial Peripheral Interface）

4.Arduino SPI 编程

spi_transfer函数将要传出的数据放入数据传输寄存器，然后就开始SPI传输了哈。可以通过SPI状态寄存器（SPSR）的某个位（SPIF）来查看数据传输是否结束了。关于位掩码（bit mask）可以参考这里：http://www.arduino.cc/en/Tutorial/。最后返回写入EEPROM的数据。

read_eeprom函数允许我们从EEPROM中读入数据，首先设置SLAVESELECT为低来enable设备。接下来送入一个读指定，接下来送入要读的16位地址，最高有效位有限。接下来我们发送一个假数据到EEPROM中以将数据传出。最后我们在读入一个字节后，再次设置SLAVESELECT线为高来释放设备，并返回数据，如果我们想要一次读入多个数据，那么当我们重复data=spi_transfer(0XFF)时，需要将SLAVESELECT一直设置为低，这样来回128次后读出整个页的数据：

为了方便大家CTRL+c、  CTRL+v，下面是整个手册的源码：

#define DATAOUT 11//MOSI
#define DATAIN 12//MISO
#define SPICLOCK 13//sck
#define SLAVESELECT 10//ss//opcodes
#define WREN 6
#define WRDI 4
#define RDSR 5
#define WRSR 1
#define READ 3
#define WRITE 2byte eeprom_output_data;
byte eeprom_input_data=0;
byte clr;
int address=0;
//data buffer
char buffer [128];void fill_buffer()
{
for (int I=0;I<128;I++)
{
buffer[I]=I;
}
}char spi_transfer(volatile char data)
{
SPDR = data; // Start the transmission
while (!(SPSR & (1<<SPIF))) // Wait the end of the transmission
{
};
return SPDR; // return the received byte
}void setup()
{
Serial.begin(9600); pinMode(DATAOUT, OUTPUT);
pinMode(DATAIN, INPUT);
pinMode(SPICLOCK,OUTPUT);
pinMode(SLAVESELECT,OUTPUT);
digitalWrite(SLAVESELECT,HIGH); //disable device
// SPCR = 01010000
//interrupt disabled,spi enabled,msb 1st,master,clk low when idle,
//sample on leading edge of clk,system clock/4 rate (fastest)
SPCR = (1<<SPE)|(1<<MSTR);
clr=SPSR;
clr=SPDR;
delay(10);
//fill buffer with data
fill_buffer();
//fill eeprom w/ buffer
digitalWrite(SLAVESELECT,LOW);
spi_transfer(WREN); //write enable
digitalWrite(SLAVESELECT,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(SLAVESELECT,LOW);
spi_transfer(WRITE); //write instruction
address=0;
spi_transfer((char)(address>>8)); //send MSByte address first
spi_transfer((char)(address)); //send LSByte address
//write 128 bytes
for (int I=0;I<128;I++)
{
spi_transfer(buffer[I]); //write data byte
}
digitalWrite(SLAVESELECT,HIGH); //release chip
//wait for eeprom to finish writing
delay(3000);
Serial.print('h',BYTE);
Serial.print('i',BYTE);
Serial.print('\n',BYTE);//debug
delay(1000);
}byte read_eeprom(int EEPROM_address)
{
//READ EEPROM
int data;
digitalWrite(SLAVESELECT,LOW);
spi_transfer(READ); //transmit read opcode
spi_transfer((char)(EEPROM_address>>8)); //send MSByte address first
spi_transfer((char)(EEPROM_address)); //send LSByte address
data = spi_transfer(0xFF); //get data byte
digitalWrite(SLAVESELECT,HIGH); //release chip, signal end transfer
return data;
}void loop()
{
eeprom_output_data = read_eeprom(address);
Serial.print(eeprom_output_data,DEC);
Serial.print('\n',BYTE);
address++;
if (address == 128)
address = 0;
delay(500); //pause for readability
}

 总结：

1.这里主要以内存器EEPROM为主， 而且个人感觉这里的SPI控制进入到Arduino的开发版， 大体的方向对很多Arduino——SPI控制实用，但毕竟只是一个例子，下面一节将讲述SPI最底层的东西。

2.如果只是简单的读写，Arduino 中是有SPI.h头文件和cpp 也是大家可以研究的一个方向，现在记忆留心还是spi.transfer用法。

二. SPI 深层理解

SPI，是英语Serial Peripheral Interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。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，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。 SPI是一个环形总线结构，由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。

SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3)，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3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音时钟相位和极性应该一致。

SPI时序图详解-SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻

SPI接口在模式0下输出第一位数据的时刻
SPI接口有四种不同的数据传输时序，取决于CPOL和CPHL这两位的组合。图1中表现了这四种时序， 时序与CPOL、CPHL的关系也可以从图中看出。

CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）意义

CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时

CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时

CPHA=0，表示数据采样是在第1个边沿，数据发送在第2个边沿

CPHA=1，表示数据采样是在第2个边沿，数据发送在第1个边沿

通过CPOL和CPHA来控制我们主设备的通信模式
发送和接收设备需要根据实际情况分析 （发送设备 ≠ 主设备）
Mode0：CPOL=0，CPHA=0
SCLK（0）空闲；
当SCLK由低到高跳变（上升沿），(接收设备)进行数据的读取；
当SCLK由高到低跳变（下降沿），(发送设备)进行数据的发送；
Mode1：CPOL=0，CPHA=1
SCLK（0）空闲；
当SCLK由高到低跳变（下降沿），(接收设备)进行数据的读取；
当SCLK由低到高跳变（上升沿），(发送设备)进行数据的发送；
Mode2：CPOL=1，CPHA=0
SCLK（1）空闲；
当SCLK由高到低跳变（下降沿），(接收设备)进行数据的读取；
当SCLK由低到高跳变（上升沿），(发送设备)进行数据的发送；
Mode3：CPOL=1，CPHA=1
SCLK（1）空闲；
当SCLK由低到高跳变（上升沿），(接收设备)进行数据的读取；
当SCLK由高到低跳变（下降沿），(发送设备)进行数据的发送；
---------------------

 

 图1

CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL＝0，空闲电平为低电平，CPOL＝1时，

空闲电平为高电平。CPHA是用来决定采样时刻的，CPHA=0，在每个周期的第一个时钟沿采样，

CPHA＝1，在每个周期的第二个时钟沿采样。

由于我使用的器件工作在模式0这种时序（CPOL＝0，CPHA＝0），所以将图1简化为图2， 只关注模式0的时序。

 

 图2

我们来关注SCK的第一个时钟周期，在时钟的前沿采样数据（上升沿，第一个时钟沿）， 在时钟的后沿输出数据（下降沿，第二个时钟沿）。首先来看主器件，主器件的输出口（MOSI）输出的数据bit1， 在时钟的前沿被从器件采样，那主器件是在何时刻输出bit1的呢？bit1的输出时刻实际上在SCK信号有效以前， 比 SCK的上升沿还要早半个时钟周期。bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。再来看从器件， 主器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的，那从器件又是在何时刻输出bit1的呢。 从器件是在SSEL信号有效后，立即输出bit1，尽管此时SCK信号还没有起效。关于上面的主器件 和从器件输出bit1位的时刻，可以从图3、4中得到验证。

 

 图3

注意图3中，CS信号有效后（低电平有效，注意CS下降沿后发生的情况），故意用延时程序 延时了一段时间，之后再向数据寄存器写入了要发送的数据，来观察主器件输出bit1的情况（MOSI）。 可以看出，bit1（值为1）是在SCK信号有效之前的半个时钟周期的时刻开始输出的（与CS信号无关）， 到了SCK的第一个时钟周期的上升沿正好被从器件采样。

 图4

图4中，注意看CS和MISO信号。我们可以看出，CS信号有效后，从器件立刻输出了bit1（值为1）。

通常我们进行的spi操作都是16位的。图5记录了第一个字节和第二个字节间的相互衔接的过程。 第一个字节的最后一位在SCK的上升沿被采样，随后的SCK下降沿，从器件就输出了第二个字节的第一位。

SPI总线协议介绍（接口定义,传输时序）

一、技术性能 SPI接口是Motorola 首先提出的全双工三线同步串行外围接口，采用主从模式（Master Slave）架构；支持多slave模式应用，一般仅支持单Master。 时钟由Master控制，在时钟移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后（MSB first）；SPI接口有2根单向数据线，为全双工通信，目前应用中的数据速率可达几Mbps的水平。
------------------------------------------------------- 二、接口定义 SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。

 

（1）MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入 （2）MISO：主器件数据输入，从器件数据输出 （3）SCLK ：时钟信号，由主器件产生 （4）/SS：从器件使能信号，由主器件控制
------------------------------------------------------- 三、内部结构

 四、传输时序

SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器,传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。如下图所示，在SCLK的下降沿上数据改变，上升沿一位数据被存入移位寄存器。

SPI接口没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

 

谢谢！