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【51单片机快速入门指南】5：软件SPI

时间：2019-09-15 15:39:56

硬知识

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：片选信号，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

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：

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。

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。

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。

◐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

以下内容摘自SPI总线协议及SPI时序图详解 —— Ady Lee

这里主要详解模式0（CPOL＝0，CPHA＝0）的时序：

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，可以从以下两图中得到验证。

注意上图中，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。

上图中，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。下图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。

软件SPI程序源码

Soft_SPI.c

#include "Soft_SPI.h"void SPI_Delay()//每步的间隔用于等待电平稳定和控制通讯速率{}//MOSI拉高移植时需修改void MOSI_H(){SOFT_SPI_MOSI = 1;}//MOSI拉低移植时需修改void MOSI_L(){SOFT_SPI_MOSI = 0;}//MISO拉高移植时需修改void MISO_H(){SOFT_SPI_MISO = 1;}//MISO拉低移植时需修改void MISO_L(){SOFT_SPI_MISO = 0;}//SCK拉高移植时需修改void SPI_SCK_H(){SOFT_SPI_SCK = 1;}//SCK拉低移植时需修改void SPI_SCK_L(){SOFT_SPI_SCK = 0;}//读取MISO电平移植时需修改uint8_t MISO_Read(){SOFT_SPI_MISO = 1;SPI_Delay();return SOFT_SPI_MISO;}//空闲时时钟极性(CPOL)0为低电平 1为高电平//数据有效时钟缘相位(CPHA)0为奇数缘 1为偶数缘/* CPOL = 0, CPHA = 0, MSB first */uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE0(uint8_t write_dat){uint8_t i, read_dat = 0;SPI_SCK_L();for( i = 0; i < 8; i++ ){read_dat <<= 1; read_dat |= MISO_Read();if(write_dat & 0x80)MOSI_H(); elseMOSI_L(); write_dat <<= 1;SPI_Delay();SPI_SCK_H(); SPI_Delay();SPI_SCK_L(); }return read_dat;}/* CPOL=0，CPHA=1, MSB first */uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE1(uint8_t write_dat) {uint8_t i, read_dat = 0;SPI_SCK_L();for(i = 0; i < 8; i++)//循环8次{if(write_dat & 0x80)MOSI_H();//若最到位为高，则输出高elseMOSI_L();//若最到位为低，则输出低write_dat <<= 1;//低一位移位到最高位SPI_Delay();SPI_SCK_H();//拉高时钟SPI_Delay();read_dat <<= 1;//数据左移read_dat |= MISO_Read();SPI_SCK_L();//拉低时钟}return read_dat;//返回数据}/* CPOL=1，CPHA=0, MSB first */uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE2(uint8_t write_dat) {uint8_t i, read_dat = 0;SPI_SCK_H();for(i = 0; i < 8; i++)// 循环8次{read_dat <<= 1;//数据左移read_dat |= MISO_Read(); if(write_dat & 0x80)MOSI_H();//若最到位为高，则输出高elseMOSI_L();//若最到位为低，则输出低write_dat <<= 1;//低一位移位到最高位SPI_Delay();SPI_SCK_L();//拉低时钟SPI_Delay();SPI_SCK_H();//拉高时钟}return read_dat;//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 = 0;SPI_SCK_H();for( i = 0; i < 8; i++ ){if(write_dat & 0x80)MOSI_H(); elseMOSI_L(); write_dat <<= 1;SPI_Delay();SPI_SCK_L(); SPI_Delay();read_dat <<= 1; read_dat |= MISO_Read(); SPI_SCK_H(); }return read_dat;}

Soft_SPI.h

#ifndef SOFT_SPI_H_#define SOFT_SPI_H_#include <STC89C5xRC.H>#include "stdint.h"sbit SOFT_SPI_SCK= P3^2;sbit SOFT_SPI_MOSI= P1^0;sbit SOFT_SPI_MISO= P1^0;//MOSI拉高移植时需修改void MOSI_H();//MOSI拉低移植时需修改void MOSI_L();//MISO拉高移植时需修改void MISO_H();//MISO拉低移植时需修改void MISO_L();//SCK拉高移植时需修改void SPI_SCK_H();//SCK拉低移植时需修改void SPI_SCK_L();//读取MISO电平移植时需修改uint8_t MISO_Read();void SPI_Delay();//每步的间隔用于等待电平稳定和控制通讯速率uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE0(uint8_t write_dat);uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE1(uint8_t write_dat);uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE2(uint8_t write_dat);uint8_t SOFT_SPI_RW_MODE3(uint8_t write_dat);#endif

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