Arduino 與 SPI 結合使用 以及SPI 深層理解

本文主要講解兩部份內容，不作任何轉發，僅我的學習記錄:

一. Arduino 與 SPI 結合使用  ：

二. SPI 深層理解

有價值的幾個好的參考：

1. 中文版： https://blog.csdn.net/xxxxxx91116/article/details/42620413  這版本適合比較容易理解大概， 細節翻譯仍是要去英文版：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傳輸數據步驟以下 mode彷佛弄混了，mode0與mode2在第一次採樣以前已發送1bit 而mode1和mode3則是正常的發送再採樣，有待考證）

 

 

 

 

一. Arduino 與 SPI 結合使用  ：

1.串行外圍設備接口入門（Introduction to the Serial Peripheral Interface）

Serial Peripheral Interface (SPI)是一種同步串行數據傳輸協議，用於近距離時，微控制器(Microcontrollers)，如Arduino，與其餘外圍設備的快速通訊。他也能夠用於2個微控制器的通信。

SPI通信一般有一個主設備（一般是Microcontrollers），用於控制外圍設備。一般會有3種線路通用於各種設備的方法。

-Master In Slave Out（MISO）- Slave line，用於Slave向Master發送數據

-Master Out Slave In（MOSI）- Master line，用於Master向Slave發送數據

-Serial Clock（SCK）- 時鐘脈衝，主設備用於同步數據傳輸

-Slave Select pin- 分配給全部的設備，用於enable/disable指定的設備，同時用於避免因爲線路忙致使的錯誤傳輸。

 

SPI最大的問題在於它的標準太不嚴格了，這致使各個設備在實現它的時候都有一些不一樣，這就意味着當咱們在編寫接口代碼的時候必須仔細閱讀設備數據參數。一般來講有編號爲0-3的3種傳輸模式（不是4種麼？）這些模式控制數據是在時鐘信號的高電平仍是低電平傳入或傳出，以及在高或低電平時時鐘無效。

全部的SPI設置都由Arduino SPI控制寄存器（SPCR）來決定。這個寄存器就是微控制器內存的一個字節，它是可讀寫的。寄存器提供的服務一般有3類：控制、數據和狀態。

 

控制寄存器（SPCR）編碼設置控制多種微控制器的功能。一般控制寄存器中的一個位影響某個特定的設置，好比速度和極性（這個是啥？）

 

數據寄存器（SPDR）僅僅hold住了一個字節。好比，SPI數據寄存器hold住了要發往MOSI線的一個字節，或者這個數據是要從MISO線傳入的。

 

狀態寄存器（SPSR）根據多種微控制器的條件改變其狀態。好比，SPI狀態寄存器（SPSR）的第七位被設置爲1表示有數據從SPI傳入或傳出。

 

SPI控制寄存器（SPCR）共有8位，每個都控制了一種特定的SPI設置。

 

SPIE：置爲1時，表示enable SPI的中斷

SPE：置爲1時，表示enable SPI

DORD：發送數據時，設置爲1表示最低有效位，0表示最高有效位。請各自腦補最低有效位和最高有效位。。。

MSTR：設置爲1表示Arduino爲master模式，0爲slave模式

CPOL：設置爲1時，數據時鐘在高時無效，設置爲0時，在低時無效

CPHA：設置爲1時，時鐘低電平時是Samples data（樣本數據？），0時時鐘高電平是Sampledata

SPR1和SPR0：設置SPI的速度，00是最快的（4MHz），11是最慢的（250KHz）

 

這些意味着當對一個新的SPI設備編碼的時候，咱們須要注意一些事情並根據以下設置SPCR：

- 數據傳入是最高有效位(MSB)仍是最低有效位（LSB）？

- 數據時鐘無效是在高仍是低？

- samples是在時鐘脈衝上升沿仍是降低沿？

- SPI 運行的速度是多少？

你還要感覺一下feel一下你的芯片，在你設置好以後須要暫停多久才能繼續？Let‘s go ！

2.串行EEPROM簡介

AT25HP512是一個65536字節串行EEPROM。它支持SPI的模式0-3，在10MHz，5V的環境下運行，同時也能夠在1.8v的低速下運行。他的內存被組織成512個頁，每一個頁有128字節。他每次只能寫入128字節，可是能夠同時讀出1-128字節的數據，這個設備同時提供了多種程度的寫保護，但這裏不涉及這個部分。

 

enable這個設備只須要讓片選信號CS爲低便可。指令使用8位的opcodes來發送，同時在時鐘上升沿傳入數據，大概使用10微秒寫入1個頁的數據，因此在每一個EEPROM的的寫程序後面都應該等待10ms。

 

3.麪包板的準備

將AT25HP512芯片插入麪包板，EEPROM的3,7,8引腳接到5V，引腳4接地。

紅色的線接+5V，GND線是黑色

 

EERPOM的引腳1鏈接Arduino的引腳10（Slave 片選），EEPROM的引腳2鏈接Arduino的引腳12（Master In Slave Out - MISO），EEPROM的引腳5鏈接Arduino的引腳11（Master Out Slave In - MOSI），同時EEPROM的引腳6鏈接Arduino的引腳13（串口時鐘 SCK）。

 

 

4.Arduino SPI 編程

如今咱們要編寫能讓Arduino和EEPROM進行SPI通訊的代碼了。在啓動代碼中，這個程序填充128字節，或者一個EEPROM頁。在main loop中他將數據讀出來，每次讀一個字節並經過串口打印出來。咱們下面用一小節來過一下代碼。

 

第一步是啓動咱們的預處理指令（其實就是#define啦），預處理指令是在真正的編譯開始前處理的。他們以#開頭而且不以分號（;）結尾。反正前面一段就是說，咱們接下來要開始使用#define了。

 

下面定義在咱們的SPI通信中要用到的pins引腳，DATAOUT, DATAIN, SPICLOCK和SLAVESELECT。而後定義EEPROM的控制指令（opcodes）：

 

 

接下來分配程序會用到的全局變量。咱們將用char buffer[128]來保存要傳輸到EEPROM的數據：

 

首先咱們初始化咱們的串口鏈接，設置咱們的input和output模式並設置SLAVESELECT線爲高時開始。這個設置可使設備暫時失效，這樣能夠防止因爲線路噪聲引發的傳輸錯誤。

 

如今咱們設置SPI控制寄存器（SPCR）爲二進制數據01010000.在控制寄存器中，每一位的設置都表示不一樣的功能。第8位關閉SPI中斷，第七位enable SPI，第六位選擇數據傳輸是最高有效位有線，第五位設置Arduino爲master模式，第四位設置數據時鐘低時無效，第三位表明SPI在數據時鐘的上升沿階段抽樣數據，第二位和第一位設置SPI和系統的通信速度，/4有4個級別。當設置了控制寄存後，咱們接下來從垃圾回收變量中讀取SPI的狀態寄存器（SPSR）和數據寄存器（SPDR），以清除之前運行的髒數據：

 

 

這裏咱們用數字來填充要發送的數組，並向EEPROM寫入一個enable指令。這個enable指令必須在任何一個寫指令以前完成。爲了發送這個指令，咱們將SLAVESELECT線置爲低，enable這個設備後，使用spi_transfer函數發送指令。注意到咱們使用了程序開始定義的WREN opcode。最後咱們設置SLAVESELECT線爲高來釋放它。

 

 

 

在短暫的delay(10)以後，咱們將SLAVESELECT線置爲低再次選中EEPROM設備。咱們發送一個寫指令來告訴EEPROM咱們將發送數據到內存中。首先發送16位，也就是2個字節地址來開始，最高有效位。接下來發送buffer中的128字節數據，一個字節接着一個字節，不須要pause暫停。最後咱們設置SLAVESELECT引腳爲高來釋放設備，同時等待一段時間以保證EEPROM寫入數據：

 

 

咱們在setup函數結束時，經過串口發送hi來表示setup結束。

 

 

在咱們的主函數loop中咱們每次從EEPROM中讀取一個字節並經過串口將它打印出來。爲了可讀性咱們增長一個打印以及等待。每一次loop咱們都增長EEPROM的一個地址去讀，當地址增長到128後，咱們從新回到0開始讀，緣由很簡單，由於開始咱們只寫入了128字節數據：

 

 

fill_buffer函數僅僅將咱們的數組用0-127這128個數字來填充。這個函數很容易就能夠改寫爲你應用程序須要的數據：

 

 

spi_transfer函數將要傳出的數據放入數據傳輸寄存器，而後就開始SPI傳輸了哈。能夠經過SPI狀態寄存器（SPSR）的某個位（SPIF）來查看數據傳輸是否結束了。關於位掩碼（bit mask）能夠參考這裏：http://www.arduino.cc/en/Tutorial/。最後返回寫入EEPROM的數據。

 

read_eeprom函數容許咱們從EEPROM中讀入數據，首先設置SLAVESELECT爲低來enable設備。接下來送入一個讀指定，接下來送入要讀的16位地址，最高有效位有限。接下來咱們發送一個假數據到EEPROM中以將數據傳出。最後咱們在讀入一個字節後，再次設置SLAVESELECT線爲高來釋放設備，並返回數據，若是咱們想要一次讀入多個數據，那麼當咱們重複data=spi_transfer(0XFF)時，須要將SLAVESELECT一直設置爲低，這樣來回128次後讀出整個頁的數據：

 

 

爲了方便你們CTRL+c、  CTRL+v，下面是整個手冊的源碼：

 

#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 2 byte 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 }

 總結：

1.這裏主要之內存器EEPROM爲主， 並且我的感受這裏的SPI控制進入到Arduino的開發版， 大致的方向對不少Arduino——SPI控制實用，但畢竟只是一個例子，下面一節將講述SPI最底層的東西。

2.若是隻是簡單的讀寫，Arduino 中是有SPI.h頭文件和cpp 也是你們能夠研究的一個方向，如今記憶留心仍是spi.transfer用法。

 

二. SPI 深層理解

SPI，是英語Serial Peripheral Interface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通訊總線，而且在芯片的管腳上只佔用四根線，節約了芯片的管腳，同時爲PCB的佈局上節省空間，提供方便，正是出於這種簡單易用的特性，如今愈來愈多的芯片集成了這種通訊協議。 SPI是一個環形總線結構，由ss(cs)、sck、sdi、sdo構成，其時序其實很簡單，主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換。

上升沿發送、降低沿接收、高位先發送。 上升沿到來的時候，sdo上的電平將被髮送到從設備的寄存器中。 降低沿到來的時候，sdi上的電平將被接收到主設備的寄存器中。
假設主機和從機初始化就緒：而且主機的sbuff=0xaa (10101010)，從機的sbuff=0x55 (01010101)，下面將分步對spi的8個時鐘週期的數據狀況演示一遍(假設上升沿發送數據)。
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脈衝      主機sbuff 從機sbuff sdi sdo

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0 00-0   10101010  01010101 0 0

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1 0--1   0101010x 10101011 0 1

1 1--0   01010100 10101011 0 1

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2 0--1   1010100x 01010110 1 0

2 1--0   10101001 01010110 1 0

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3 0--1   0101001x 10101101 0 1

3 1--0   01010010 10101101 0 1

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4 0--1   1010010x 01011010 1 0

4 1--0   10100101 01011010 1 0

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5 0--1   0100101x 10110101 0 1

5 1--0   01001010 10110101 0 1

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6 0--1   1001010x 01101010 1 0

6 1--0   10010101 01101010 1 0

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7 0--1   0010101x 11010101 0 1

7 1--0   00101010 11010101 0 1

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8 0--1   0101010x 10101010 1 0

8 1--0   01010101 10101010 1 0

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這樣就完成了兩個寄存器8位的交換，上面的0--1表示上升沿、1--0表示降低沿，sdi、 sdo相對於主機而言的。根據以上分析，一個完整的傳送週期是16位，即兩個字節，由於，首先主機要發送命令過去，而後從機根據主機的名準備數據，主機在下一個8位時鐘週期才把數據讀回來。  SPI總線是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進行通訊:一條時鐘線SCK，一條數據輸入線MOSI，一條數據輸出線MISO;用於 CPU與各類外圍器件進行全雙工、同步串行通信。

 

SPI主要特色有:能夠同時發出和接收串行數據;能夠看成主機或從機工做;提供頻率可編程時鐘;發送結束中斷標誌;寫衝突保護;總線競爭保護等。

SPI總線有四種工做方式(SP0, SP1, SP2, SP3)，其中使用的最爲普遍的是 SPI0和SPI3方式。 SPI模塊爲了和外設進行數據交換，根據外設工做要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位能夠進行配置，時鐘極性(CPOL)對傳輸協議沒有重大的影響。若是CPOL=0，串行同步時鐘的空閒狀態爲低電平；若是CPOL=1，串行同步時鐘的空閒狀態爲高電平。時鐘相位(CPHA)可以配置用於選擇兩種不一樣的傳輸協議之一進行數據傳輸。若是 CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿(上升或降低)數據被採樣；若是CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿(上升或降低)數據被採樣。 SPI主模塊和與之通訊的外設音時鐘相位和極性應該一致。

 

 

SPI時序圖詳解-SPI接口在模式0下輸出第一位數據的時刻

SPI接口在模式0下輸出第一位數據的時刻
SPI接口有四種不一樣的數據傳輸時序，取決於CPOL和CPHL這兩位的組合。圖1中表現了這四種時序， 時序與CPOL、CPHL的關係也能夠從圖中看出。

CPOL（時鐘極性）和CPHA（時鐘相位）意義

CPOL=0，表示當SCLK=0時處於空閒態，因此有效狀態就是SCLK處於高電平時

CPOL=1，表示當SCLK=1時處於空閒態，因此有效狀態就是SCLK處於低電平時

CPHA=0，表示數據採樣是在第1個邊沿，數據發送在第2個邊沿  

CPHA=1，表示數據採樣是在第2個邊沿，數據發送在第1個邊沿

經過CPOL和CPHA來控制咱們主設備的通訊模式
發送和接收設備須要根據實際狀況分析 （發送設備 ≠ 主設備）
Mode0：CPOL=0，CPHA=0
SCLK（0）空閒；
當SCLK由低到高跳變（上升沿），(接收設備)進行數據的讀取；
當SCLK由高到低跳變（降低沿），(發送設備)進行數據的發送；
Mode1：CPOL=0，CPHA=1
SCLK（0）空閒；
當SCLK由高到低跳變（降低沿），(接收設備)進行數據的讀取；
當SCLK由低到高跳變（上升沿），(發送設備)進行數據的發送；
Mode2：CPOL=1，CPHA=0
SCLK（1）空閒；
當SCLK由高到低跳變（降低沿），(接收設備)進行數據的讀取；
當SCLK由低到高跳變（上升沿），(發送設備)進行數據的發送；
Mode3：CPOL=1，CPHA=1
SCLK（1）空閒；
當SCLK由低到高跳變（上升沿），(接收設備)進行數據的讀取；
當SCLK由高到低跳變（降低沿），(發送設備)進行數據的發送；
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 圖1

 

 

CPOL是用來決定SCK時鐘信號空閒時的電平，CPOL＝0，空閒電平爲低電平，CPOL＝1時，

空閒電平爲高電平。CPHA是用來決定採樣時刻的，CPHA=0，在每一個週期的第一個時鐘沿採樣，

CPHA＝1，在每一個週期的第二個時鐘沿採樣。

 

因爲我使用的器件工做在模式0這種時序（CPOL＝0，CPHA＝0），因此將圖1簡化爲圖2， 只關注模式0的時序。

 

 圖2

咱們來關注SCK的第一個時鐘週期，在時鐘的前沿採樣數據（上升沿，第一個時鐘沿）， 在時鐘的後沿輸出數據（降低沿，第二個時鐘沿）。首先來看主器件，主器件的輸出口（MOSI）輸出的數據bit1， 在時鐘的前沿被從器件採樣，那主器件是在什麼時候刻輸出bit1的呢？bit1的輸出時刻實際上在SCK信號有效之前， 比  SCK的上升沿還要早半個時鐘週期。bit1的輸出時刻與SSEL信號沒有關係。再來看從器件， 主器件的輸入口MISO一樣是在時鐘的前沿採樣從器件輸出的bit1的，那從器件又是在什麼時候刻輸出bit1的呢。 從器件是在SSEL信號有效後，當即輸出bit1，儘管此時SCK信號尚未起效。關於上面的主器件 和從器件輸出bit1位的時刻，能夠從圖三、4中獲得驗證。

 

 圖3

注意圖3中，CS信號有效後（低電平有效，注意CS降低沿後發生的狀況），故意用延時程序 延時了一段時間，以後再向數據寄存器寫入了要發送的數據，來觀察主器件輸出bit1的狀況（MOSI）。 能夠看出，bit1（值爲1）是在SCK信號有效以前的半個時鐘週期的時刻開始輸出的（與CS信號無關）， 到了SCK的第一個時鐘週期的上升沿正好被從器件採樣。

 圖4

圖4中，注意看CS和MISO信號。咱們能夠看出，CS信號有效後，從器件馬上輸出了bit1（值爲1）。

 

一般咱們進行的spi操做都是16位的。圖5記錄了第一個字節和第二個字節間的相互銜接的過程。 第一個字節的最後一位在SCK的上升沿被採樣，隨後的SCK降低沿，從器件就輸出了第二個字節的第一位。

 

 

 

 

SPI總線協議介紹（接口定義,傳輸時序）

 

1、技術性能 SPI接口是Motorola 首先提出的全雙工三線同步串行外圍接口，採用主從模式（Master Slave）架構；支持多slave模式應用，通常僅支持單Master。 時鐘由Master控制，在時鐘移位脈衝下，數據按位傳輸，高位在前，低位在後（MSB first）；SPI接口有2根單向數據線，爲全雙工通訊，目前應用中的數據速率可達幾Mbps的水平。
------------------------------------------------------- 2、接口定義 SPI接口共有4根信號線，分別是：設備選擇線、時鐘線、串行輸出數據線、串行輸入數據線。

 

 

（1）MOSI：主器件數據輸出，從器件數據輸入 （2）MISO：主器件數據輸入，從器件數據輸出 （3）SCLK ：時鐘信號，由主器件產生 （4）/SS：從器件使能信號，由主器件控制
------------------------------------------------------- 3、內部結構

  4、傳輸時序

SPI接口在內部硬件其實是兩個簡單的移位寄存器,傳輸的數據爲8位，在主器件產生的從器件使能信號和移位脈衝下，按位傳輸，高位在前，低位在後。以下圖所示，在SCLK的降低沿上數據改變，上升沿一位數據被存入移位寄存器。

SPI接口沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數據。

 

謝謝！