软件模拟SPI接口程序代码（4种模式）

我就是我 2023-02-25 10:29 18阅读 0赞

# **软件模拟SPI接口程序代码（4种模式）** #

### **SPI协议简介** ###

SPI的通信原理很简单，一般主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，通常采用的是4根线，它们是MISO（数据输入，针对主机来说）、MOSI（数据输出，针对主机来说）、SCLK（时钟，主机产生）、CS/SS（片选，一般由主机发送或者直接使能，通常为低电平有效）

**●SPI接口介绍**

SCK：时钟信号，由主设备产生，所以主设备SCK信号为输出模式，从设备的SCK信号为输入模式。

CS：使能信号，由主设备控制从设备，，所以主设备CS信号为输出模式，从设备的CS信号为输入模式。

MOSI：主设备数据输出，从设备数据输入，所以主设备MOSI信号为输出模式，从设备的MOSI信号为输入模式。

MISO：主设备数据输入，从设备数据输出，所以主设备MISO信号为输入模式，从设备的MISO信号为输出模式。

●**SPI****接口连接图**

![20200712190453418.png][]

注意：**MOSI和MISO不能交叉连接**(可以把主从机理解为一个整体系统，MOSI为系统主机发送从机接收的数据线，MISO为主机接收从机发送的数据线)

**●SPI数据传输方向**

SPI作为全双工的的串行通信协议，数据传输时高位在前，低位在后。主机和从机公用由主机产生的SCK信号，所以在每个时钟周期内主机和从机有1bit的数据交换(因为MOSI和MISO数据线上的数据都是在时钟的边沿处被采样)。如下图：

![20200712192411193.png][]

SPI协议规定数据采样是在SCK的上升沿或下降沿时刻(由SPI模式决定，下面会说到)，观察上图，在SCK的边沿处(上升沿或下降沿)，主机会在MISO数据线上采样(接收来从机的数据)，从机会在MOSI数据线上采样(接收来自主机的数据)，所以每个时钟周期中会有一bit的数据交换。

![20200712192429154.png][]

**SPI****传输模式**

SPI总线传输一共有４种模式，这４种模式分别由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)来定义。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p3ajY5NTUzNTEwMA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

![20200712192527762.png][]

CPOL：规定了SCK时钟信号空闲状态的电平

CPHA：规定了数据是在SCK时钟的上升沿还是下降沿被采样

\----------- ------------------------------------

模式0：CPOL=0，CPHA =0  SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)

模式1：CPOL=0，CPHA =1  SCK空闲为低电平，数据在SCK的下降沿被采样(提取数据)

模式2：CPOL=1，CPHA =0  SCK空闲为高电平，数据在SCK的下降沿被采样(提取数据)

模式3：CPOL=1，CPHA =1  SCK空闲为高电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)

以模式0为例：SCK空闲为低电平，数据在SCK的上升沿被采样(提取数据)，在SCK的下降沿切换数据线的数据。

![20200712192547271.png][]

◐在时钟的第1个上升沿(游标1处)(采样点)

MOSI上数据为1，则在此边沿从机采样(提取)数据为1，采样点在MOSI数据线的中间。

MISO上数据为0，则在此边沿主机采样(提取)数据为0，采样点在MISO数据线的中间。

◐在时钟的第1个下降沿(游标2处)(切换点)

MOSI上数据由1切换为0，，数据在时钟下降沿时切换数据。

MISO上数据由0切换为1，，数据在时钟下降沿时切换数据。

◐在时钟的第2~8个上升沿(采样点)，主机在MISO上采样数据，从机在MOSI上采样数据。

◐在时钟的第2~8个下降沿(切换点)，主机在MISO上切换数据，从机在MOSI上切换数据

# #

## 通过模拟SPI程序来加深理解 ##

使用STM32L4R5ZI MCU进行的测试

初始化代码：

/**SPI1 GPIO Configuration    
        PA5     ------> SPI1_SCK
        PA6     ------> SPI1_MISO
        PA7     ------> SPI1_MOSI 
        */
    #define SPI_SCK_PIN                     GPIO_PIN_5
    #define SPI_SCK_GPIO_PORT               GPIOA
    #define SPI_MOSI_PIN                    GPIO_PIN_7
    #define SPI_MOSI_GPIO_PORT              GPIOA
    #define SPI_MISO_PIN                    GPIO_PIN_6
    #define SPI_MISO_GPIO_PORT              GPIOA
    #define SPI_NSS_PIN                     GPIO_PIN_14
    #define SPI_NSS_GPIO_PORT               GPIOD
    
    
    #define SPI_SCK_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
    #define SPI_MISO_GPIO_CLK_ENABLE()      __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
    #define SPI_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE()      __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
    #define SPI_NSS_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE()
    
    #define MOSI_H  HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_SET)  
    #define MOSI_L  HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_RESET)  
    #define SCK_H   HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_SET)  
    #define SCK_L   HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_RESET)  
    #define MISO    HAL_GPIO_ReadPin(SPI_MISO_GPIO_PORT, SPI_MISO_PIN) 
    #define NSS_H   HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_SET)  
    #define NSS_L   HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_RESET) 
    	·
    
    void SPI_Init(void)
    {  
      /*##-1- Enable peripherals and GPIO Clocks #########################*/
      /* Enable GPIO TX/RX clock */
      SPI_SCK_GPIO_CLK_ENABLE();
      SPI_MISO_GPIO_CLK_ENABLE();
      SPI_MOSI_GPIO_CLK_ENABLE();
      SPI_NSS_GPIO_CLK_ENABLE();
    
    
      /*##-2- Configure peripheral GPIO #######################*/
      /* SPI SCK GPIO pin configuration  */
      GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
      
      GPIO_InitStruct.Pin       = SPI_SCK_PIN;
      GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
      //GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLDOWN;
      GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
      HAL_GPIO_Init(SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
      HAL_GPIO_WritePin(SPI_SCK_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_SET);
    
      /* SPI MISO GPIO pin configuration  */
      GPIO_InitStruct.Pin = SPI_MISO_PIN;
      GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
      HAL_GPIO_Init(SPI_MISO_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
      /* SPI MOSI GPIO pin configuration  */
      GPIO_InitStruct.Pin = SPI_MOSI_PIN;
      GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
      HAL_GPIO_Init(SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
      HAL_GPIO_WritePin(SPI_MOSI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_SET);
      
      GPIO_InitStruct.Pin = SPI_NSS_PIN;
      GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
      HAL_GPIO_Init(SPI_NSS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
      HAL_GPIO_WritePin(SPI_NSS_GPIO_PORT, SPI_NSS_PIN, GPIO_PIN_SET);
      
    }

模拟SPI4种工作模式**：**

/* CPOL = 0, CPHA = 0, MSB first */
    uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE0( uint8_t write_dat )
    {
        uint8_t i, read_dat;
        for( i = 0; i < 8; i++ )
        {
            if( write_dat & 0x80 )
                MOSI_H;  
            else                    
                MOSI_L;  
            write_dat <<= 1;
            delay_us(1);	
            SCK_H; 
            read_dat <<= 1;  
            if( MISO ) 
                read_dat++; 
    		delay_us(1);
            SCK_L; 
            __nop();
        }
    	
        return read_dat;
    }
    
    
    /* CPOL=0，CPHA=1, MSB first */
    uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE1(uint8_t byte) 
    {
        uint8_t i,Temp=0;
    
    	for(i=0;i<8;i++)     // 循环8次
    	{
    		SCK_H;     //拉高时钟
    		if(byte&0x80)
            {
    			MOSI_H;  //若最到位为高，则输出高
            }
    		else      
    		{
    			MOSI_L;   //若最到位为低，则输出低
    		}
    		byte <<= 1;     // 低一位移位到最高位
    		delay_us(1);
    		SCK_L;     //拉低时钟
    		Temp <<= 1;     //数据左移
    
    		if(MISO)
    			Temp++;     //若从从机接收到高电平，数据自加一
    		delay_us(1);
    
    	}
    	return (Temp);     //返回数据
    }
    
    /* CPOL=1，CPHA=0, MSB first */
    uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE2(uint8_t byte) 
    {
        uint8_t i,Temp=0;
    
    	for(i=0;i<8;i++)     // 循环8次
    	{
    		if(byte&0x80)
            {
    			MOSI_H;  //若最到位为高，则输出高
            }
    		else      
    		{
    			MOSI_L;   //若最到位为低，则输出低
    		}
    		byte <<= 1;     // 低一位移位到最高位
    		delay_us(1);
    		SCK_L;     //拉低时钟
    		Temp <<= 1;     //数据左移
    
    		if(MISO)
    			Temp++;     //若从从机接收到高电平，数据自加一
    		delay_us(1);
    		SCK_H;     //拉高时钟
    		
    	}
    	return (Temp);     //返回数据
    }
    
    
    /* CPOL = 1, CPHA = 1, MSB first */
    uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE3( uint8_t write_dat )
    {
        uint8_t i, read_dat;
        for( i = 0; i < 8; i++ )
        {
    		SCK_L; 
            if( write_dat & 0x80 )
                MOSI_H;  
            else                    
                MOSI_L;  
            write_dat <<= 1;
            delay_us(1);	
            SCK_H; 
            read_dat <<= 1;  
            if( MISO ) 
                read_dat++; 
    		delay_us(1);
            __nop();
        }
        return read_dat;
    }

[20200712190453418.png]: /images/20230209/7ab09d66538d4652afb662e6f19bce98.png
[20200712192411193.png]: /images/20230209/1d34ff3a96da42489c47b4760e917df8.png
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[20200712192547271.png]: /images/20230209/a1f197fb0c2547baa13619252a99c2a8.png