SPI協(xié)議詳解（以ADS1118為例）

最近要寫(xiě)一個(gè)協(xié)議，所以再復習一次SPI。（存草稿太久了，再不發(fā)就忘了）

一開(kāi)始先分析了SPI的協(xié)議特點(diǎn)，使用ADS1118這個(gè)器件作為承載物進(jìn)行分析，后面用邏輯分析儀從位到字節進(jìn)行解碼，最后使用TI給的demo移植到STM32平臺。

SPI是一個(gè)環(huán)形總線(xiàn)結構，由ss(cs)、sck、sdi、sdo構成，其時(shí)序其實(shí)很簡(jiǎn)單，主要是在sck的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數據交換。

上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。

上升沿到來(lái)的時(shí)候，sdo上的電平將被發(fā)送到從設備的寄存器中。

下降沿到來(lái)的時(shí)候，sdi上的電平將被接收到主設備的寄存器中。 各家的名字可能不一樣，反正你就看傳輸方向就行。

這個(gè)是時(shí)序圖，因為是雙向的傳輸，在主機發(fā)給從機這段時(shí)間，從機也是發(fā)數據的，但是相當于亂發(fā)無(wú)意義的：

另外：密封的菱形部分，注意要密封，表示數據有效，Valid Data這個(gè)詞也顯示了這點(diǎn)。

關(guān)于時(shí)間的標注，這也是個(gè)十分重要的信息，這些時(shí)間的標注表明了某些狀態(tài)所要維持的最短或最長(cháng)時(shí)間。

因為器件的工作速度也是有限的，一般都跟不上主控芯片的速度，所以它們直接之間要有時(shí)序配合。

外部12MHz晶振，指令周期就是一個(gè)時(shí)鐘周期為（1/12MHz）us，所以至少確定了它執行一條指令的時(shí)間是us級別的。我們看到，以上給的時(shí)間參數全部是ns級別的，所以即便我們在程序里不加延時(shí)程序

10的-3次方

時(shí)序時(shí)間

專(zhuān)有的時(shí)鐘引腳上面是有施密特輸入的

這個(gè)名字好，DIN，然后數據鎖存在下降沿上：

GPIO開(kāi)啟了引腳的弱上拉電阻：

上升沿移出，下降沿準備：

這個(gè)是輸出的一個(gè)時(shí)鐘周期

這個(gè)樣子的意思是，數據有高有低，靠后的線(xiàn)是數據輸出，前面是數據準備?；蛘呤潜绘i定

不確定是不是所有的這樣。和上面的分析差不多

看一個(gè)連續輸出

在時(shí)序上面

給MCU的數據中，一個(gè)大的時(shí)鐘周期由32個(gè)小周期組成，兩個(gè)字節來(lái)說(shuō)明轉換的結果，也就是本身的數據，MSB在前。后面兩個(gè)是寄存器的回讀，這里我理解是把輸出的控制命令又回流一次。

2^16，兩個(gè)16位

DIN是MCU給器件的信息，MSB+LSB發(fā)一次，剩下二分之一如果你不變化，就可以讓這個(gè)DIN的引腳在后一個(gè)周期里面一直低或者高都可以。

你看嘛，就是這樣

還有16為輸出模式，可以交替的拉低CS來(lái)輸出

這個(gè)是輸出16位值的寄存器的樣子，0~15，上面每一位都是一個(gè)0或者1，一次16位。

這個(gè)是配置的寄存器，從0開(kāi)始寫(xiě)，一直配好到15，組成一個(gè)16位的序列，發(fā)送。

數據手冊里面的寫(xiě)法是倒著(zhù)來(lái)，先15，說(shuō)這個(gè)寄存器的位置在15，名字叫SS，可以讀可以寫(xiě)，重啟之后是0h，描述是斷電的時(shí)候設置一次，在轉換過(guò)程中換不了。

這個(gè)是3位，8種情況，對應個(gè)個(gè)采集方式：

如果對地的話(huà)，那就是差分

增益放大器：

速率：

連續還是單發(fā)：

默認是單發(fā)

找了找就這個(gè)圖出現的次數最多。

OK

擴展SPI還增加了SDR（Single Data Rate）和DDR（Double Data Rate）兩種模式。在標準SPI 協(xié)議的SDR 模式下，只在SCK 的單邊沿進(jìn)行數據傳輸，即一個(gè)SCK 時(shí)鐘只傳輸一位數據；而在DDR 模式下，會(huì )在SCK 的上升沿和下降沿都進(jìn)行數據傳輸，即一個(gè)SCK 時(shí)鐘能傳輸兩位數據，傳輸速率提高一倍。

就是這樣

沒(méi)問(wèn)題，可以看到時(shí)序圖內在CLK的上下沿，數據線(xiàn)上的電平確實(shí)是穩定的，可以讀取。

1. 2-bit Dual SPI模式

2-bit Dual SPI模式，也稱(chēng)為Dual SPI模式，是標準SPI的一個(gè)變體，它使用兩條數據線(xiàn)（通常是MOSI和MISO）同時(shí)傳輸數據。在此模式下，數據在時(shí)鐘信號的上升沿和下降沿同時(shí)被發(fā)送和接收，使得數據吞吐量相比單線(xiàn)SPI翻倍。

它只是針對SPI Flash而言，不是針對所有SPI外設。對于SPI Flash，全雙工并不常用，因此擴展了mosi和miso的用法，讓它們工作在半雙工，用以加倍數據傳輸。也 就是對于Dual SPI Flash，可以發(fā)送一個(gè)命令字節進(jìn)入dual mode，這樣mosi變成SIO0（serial io 0），mosi變成SIO1（serial io 1）,這樣一個(gè)時(shí)鐘周期內就能傳輸2個(gè)bit數據，加倍了數據傳輸。

數據線(xiàn)：使用MOSI和MISO同時(shí)傳輸數據。

數據速率：相比于標準SPI，數據傳輸速率翻倍，因為它同時(shí)使用兩條線(xiàn)傳輸數據。

使用場(chǎng)景：適用于需要比標準SPI更高數據傳輸率但又不需要四線(xiàn)Quad SPI的場(chǎng)景。

2. DDR SPI模式

DDR SPI（雙數據率SPI）模式在每個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿和下降沿都進(jìn)行數據傳輸。這意味著(zhù)在每個(gè)時(shí)鐘脈沖上，都可以發(fā)送或接收數據，從而有效地加倍了數據傳輸速率。這種模式通常用于高速數據采集系統中。

數據線(xiàn)：通常使用一條或多條數據線(xiàn)，但每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸兩次數據。

數據速率：數據速率是標準SPI的兩倍，因為它在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都傳輸數據。

使用場(chǎng)景：適合高性能需求的應用，如高速數據采集或高分辨率視頻傳輸。

區別 數據傳輸方式：Dual SPI利用兩條數據線(xiàn)在時(shí)鐘的每個(gè)邊沿傳輸數據；而DDR SPI可能只使用一條數據線(xiàn)，但在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿和下降沿都傳輸數據。

復雜性：DDR SPI通常在實(shí)現上更復雜，因為它要求在時(shí)鐘的每個(gè)邊緣精確控制數據的采樣和輸出，這對時(shí)鐘同步提出了更高的要求。

效率：盡管兩者都提高了數據傳輸速率，但在具體實(shí)現和系統兼容性方面，它們各有優(yōu)勢和局限。

如果你的設計對時(shí)鐘同步的要求極高，可能會(huì )更傾向于使用Dual SPI而不是DDR SPI，因為后者需要更精確的控制和可能導致的時(shí)鐘偏差問(wèn)題。

相反，如果需要極高的數據傳輸效率，DDR SPI可能是更好的選擇。

HI-Z是什么？

補充：

Hi-Z是數字電路常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)，指的是電路的一種輸出狀態(tài)，既不是高電平也不是低電平，如果高阻態(tài)再輸入下一級電路的話(huà)，對下級電路無(wú)任何影響，和沒(méi)接一樣，如果用萬(wàn)用表測的話(huà)有可能是高電平也有可能是低電平，隨它后面接的東西定。高阻態(tài): 高阻態(tài)的實(shí)質(zhì)電路分析時(shí)高阻態(tài)可做開(kāi)路理解。

模式1：

上升沿改變，下降沿讀取。

手邊還有一個(gè)ESP32-C3的單片機，這個(gè)是它的數據手冊，有三個(gè)SPI，或者是一個(gè)SPI配六個(gè)CS線(xiàn)。

外部焊盤(pán)，通過(guò)MUX，多路轉換到接口上面，可以走DMA或者Cache到CPU，等等，之后再說(shuō)。

這個(gè)就更專(zhuān)業(yè)啦

SPI 主機驅動(dòng)允許總線(xiàn)上連接多個(gè)設備（共享單個(gè) ESP32-C3 SPI 外設）。每個(gè)設備僅由一個(gè)任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，驅動(dòng)程序線(xiàn)程安全。反之，若多個(gè)任務(wù)嘗試訪(fǎng)問(wèn)同一 SPI 設備，則驅動(dòng)程序非線(xiàn)程安全。

所有的SPI協(xié)議都可以分成這樣的步驟。

當傳輸事務(wù)數據等于或小于 32 位時(shí)，為數據分配一個(gè)緩沖區將是次優(yōu)的選擇。

SPI 主機逐字節地將數據讀入和寫(xiě)入內存。默認情況下，數據優(yōu)先以最高有效位 (MSB) 發(fā)送，極少數情況下會(huì )優(yōu)先使用最低有效位 (LSB)。如果需要發(fā)送一個(gè)小于 8 位的值，這些位應以 MSB 優(yōu)先的方式寫(xiě)入內存。

例如，如果需要發(fā)送 0b00010，則應將其寫(xiě)成 uint8_t 變量，讀取長(cháng)度設置為 5 位。此時(shí)，設備仍然會(huì )收到 8 位數據，并另有 3 個(gè)“隨機”位，所以讀取過(guò)程必須準確。

傳輸速度主要有以下三個(gè)限制因素：

傳輸事務(wù)間隔時(shí)間

SPI 時(shí)鐘頻率

緩存缺失的 SPI 函數，包括回調

影響大傳輸事務(wù)傳輸速度的主要參數是時(shí)鐘頻率。而多個(gè)小傳輸事務(wù)的傳輸速度主要由傳輸事務(wù)間隔時(shí)長(cháng)決定。

在捕捉的時(shí)候可以對 SPI 進(jìn)行詳細設置

三個(gè)解碼層級的設置

這里的解碼有幾個(gè)層級，首先是bit級別，就是0，1，接著(zhù)是轉換，就是0,1拼成別的進(jìn)制數據。還有就是轉換成數據。

全是0

16進(jìn)制的我喜歡使用

可以看到是一個(gè)不斷分組，組裝的過(guò)程

先看一個(gè)時(shí)鐘的變化

有八個(gè)上升沿，也就是8個(gè)0，也就是下面的00.是轉換的層級，8個(gè)字節是一位-00.

下面就是兩個(gè)字節變成了一word-16bit

第二個(gè)字節

大概就是這樣的解碼啦

這就是解碼出來(lái)的第一個(gè)數據

前面是bit位，下一個(gè)是字節位，下一個(gè)是word位

按照16字節來(lái)解碼

因為可以自由的傳輸任意的字節數據，也可以在這里自己定義這個(gè)事情

這里就開(kāi)始移植，看這個(gè)TI的意思是隨便整，推薦自己實(shí)現SPI的接口：

下載最后一個(gè)

這里先說(shuō)一下頭文件如何加

我們的工作是要在代碼里面實(shí)現STM32的SPI接口移植，然后在線(xiàn)測量所有的參數來(lái)更加詳細的學(xué)習SPI。

先看懂給的代碼，明白要干啥：

這些是TI的庫

NSS管腳及我們熟知的片選信號，作為主設備N(xiāo)SS管腳為高電平，從設備N(xiāo)SS管腳為低電平。

當NSS管腳為低電平時(shí)，該spi設備被選中，可以和主設備進(jìn)行通信。在stm32中，每個(gè)spi控制器的NSS信號引腳都具有兩種功能，即輸入和輸出。所謂的輸入就是NSS管腳的信號給自己。所謂的輸出就是將NSS的信號送出去，給從機。

對于NSS的輸入，又分為軟件輸入和硬件輸入。

軟件輸入： NSS分為內部管腳和外部管腳，通過(guò)設置spi_cr1寄存器的ssm位和ssi位都為1可以設置NSS管腳為軟件輸入模式且內部管腳提供的電平為高電平，其中SSM位為使能軟件輸入位。SSI位為設置內部管腳電平位。同理通過(guò)設置SSM和SSI位1和0則此時(shí)的NSS管腳為軟件輸入模式但內部管腳提供的電平為0。若從設備是一個(gè)其他的帶有spi接口的芯片，并不能選擇NSS管腳的方式，則可以有兩種辦法，一種是將NSS管腳直接接低電平。另一種就是通過(guò)主設備的任何一個(gè)gpio口去輸出低電平選中從設備。

硬件輸入： 主機接高電平，從機接低電平。

這樣

cs 自己換普通gpio，好像是自動(dòng)的引腳有些問(wèn)題

外部晶振為8MHz

1選擇外部時(shí)鐘HSE 8MHz

2PLL鎖相環(huán)倍頻9倍

3系統時(shí)鐘來(lái)源選擇為PLL

4設置APB1分頻器為 /2

5使能CSS監視時(shí)鐘

后來(lái)我找到了中文的數據手冊

這個(gè)地方 4 種模式選擇

打開(kāi)窗口

打開(kāi)中斷

編譯 Ok

這個(gè)是TI硬件層的所有東西，一會(huì )兒就重寫(xiě)

ti 的板子我用的少

中斷狀態(tài)

開(kāi)啟中斷

開(kāi)啟中斷引腳

下降邊沿觸發(fā)中斷

這個(gè)有用

因為STM32的SPI中斷和TI的中斷對不上，下面就看HAL的API：

SPI的中斷有這些

所有的函數

中斷

在main里面的文件

我要做的工作是在HAL文件里面構建STM32 SPI的硬件重構

需要實(shí)現的是ms和us的延時(shí)，CS的控制和收發(fā)功能

SPI函數

這里是延時(shí)和CS的實(shí)現

ADS1118的內部就可以不用管了。別看寫(xiě)的簡(jiǎn)單，debug也很耗時(shí)。

編譯無(wú)錯誤，移植完成

可以看看ADS1118的定位

https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/software/711298

術(shù)語(yǔ)表：

Standard SPI: CLK, /CS, DI, DO, /WP, /Hold Dual SPI: CLK, /CS, IO0, IO1, /WP, /Hold Quad SPI: CLK, /CS, IO0, IO1, IO2, IO3 SIO0（serial io 0）

接口說(shuō)明

CLK(Serial Clock):時(shí)鐘線(xiàn)

/CS(Chip Select):片選接口

DI(Serial Data Input):數據輸入端口

DO(Serial Data Output):輸出輸出端口

審核編輯：劉清