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四、GD32 MCU 常见外设介绍（8）SPI 模块介绍
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作者:
勿忘初心做自己
时间:
2024-7-29 20:14
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四、GD32 MCU 常见外设介绍（8）SPI 模块介绍
串行外设接口（Serial Peripheral Interface，缩写为 SPI） 提供了基于SPI 协议的数据发送和接收功能， 可以工作于主机或从机模式。 SPI 接口支持具有硬件 CRC 盘算和校验的全双工和单工模式。
8.1.SPI 底子知识
SPI 物理层
SPI接口接纳主从模式（Master Slave）架构；支持一主一从模式和一主多从模式，但不支持多主模式。它是一种同步高速全双工的通信总线，总体布局如下图常见的SPI通讯体系所示。
一个主机连接四个从机，此中一个SPI总线一样平常有四个信号分为：
SCLK：时钟信号，由主机产生并控制。
MOSI：主机数据输出，从机数据输入。
MISO：主机数据输入，从机数据输出。
SS/NSS：从机片选使能信号，由主机控制。在一主对多从的模式下，每一个从机都需要独占一个SS，也就是说有多少个从机就有多少个片选信号。
SPI 协议层
SPI的协议界说了通信的起始信号、克制信号、数据有效性、时钟同步等环节。下面我们分析一下两个设备通过SPI总线通信的过程，SPI通信时序图如下图通讯时序所示：
SPI 通讯时序
这个是一个主机的通信时序，信号线 NSS、SCK、MOSI 都是由主机控制，MISO 是由从机举行控制。此中 MOSI 和 MISO 上的数据仅在 NSS 为低时才有效，而且每个SCK 时钟周期只互换一位数据。
起始信号和克制信号
：如_SPI通讯时序图_中①和⑥分别表现通信的起始和结束，这些信号的产生是通过主机将片选信号(NSS)置低和置高实现的。NSS 除了是开始和结束信号的产生者，它也是主机和从机通信的选择者，当一个主机对多个从机通信时，主机通过置低从机的 NSS 信号线来选择与哪个从机举行通信。
时钟同步
：SPI 总线是一个同步全双工的通信总线，以是 SPI 的数据传输是需要 SCK 时钟信号严酷同步的，每一个 SCK 周期只传输一位数据，这一个周期里要完成数据的准备和采样，且数据的输入和输出是同时举行的。MSB 先行或 LSB先行协议中是没有硬性规定，只需通信两边保持统一即可。SPI 每次数据传输可以是 8 位或 16 位为单元，每次传输的单元数不受限制。
数据有效性
：SPI 在 SCK 时钟的同步下举行数据的准备和采样，过程如图 1-2 的②③④⑤所示。在 NSS 为低的环境时，在 SCK 的上升沿时 MISO 和 MOSI 举行数据准备，SCK 的下降沿时读取 MISO 和 MOSI 上的数据。在 NSS 为高时，MISO 和MOSI 上的数据无效。
SPI 工作模式
：如_SPI通讯时序图_只是 SPI 的一种工作模式，SPI 一共有四种工作模式。他们的区别是总线空闲时 SCK 的电平状态和数据采样时候。这四种模式的配置是通过配置“时钟极 性 CKPL”和“时钟相位 CKPH”的电平来实现的。
CKPL=0 时，SCK 引脚在空闲状态保持低电平；
CKPL=1 时，SCK 引脚在空闲状态保持高电平；
CKPH=0 时，SCK 时钟的第一个边沿举行采样；
CKPH =1 时，SCK 时钟的第二个边沿举行采样。
四种模式如下图SPI通讯模式所示：
SPI 数据传输流程
前面我们相识了SPI协议的物理连接方式和SPI的详细协议和SPI的四种工作模式，下面我们从整体上分析一下SPI通信的流程。通过前面的内容可知，在一个SCK周期内，SPI会完成如下操作：
主机通过MOSI线发送1位数据，从机通过该线读取这1位数据。
从机通过MISO线发送1位数据，主机通过该线读取这1位数据。
这是通过移位寄存器来实现的。如下图所示，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环。随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，而且依次移入从机寄存器和主机寄存器。当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的互换。通信流程如图所示：
8.2.GD32 SPI 外设原理简介
因篇幅有限，本文无法详细介绍GD32全部系列SPI外设接口，下面以GD32F30x为列，着重介绍下GD32F30x的SPI外设简介和布局框图，后介绍下各个系列的差异。
GD32 SPI 主要特性
◼ 具有全双工和单工模式的主从操作；
◼ 16位宽度，独立的发送和接收缓冲区；
◼ 8位或16位数据帧格式；
◼ 低位在前或高位在前的数据位次序；
◼ 软件和硬件NSS管理；
◼ 硬件CRC盘算、发送和校验；
◼ 发送和接收支持DMA模式；
◼ 支持SPI TI模式；
◼ 支持SPI NSS脉冲模式；
◼ 支持SPI四线功能的主机模式（仅在SPI0中）。
GD32的SPI外设还支持I2S功能，I2S功能是一种音频串行通讯协议，如果需要学习请参考各个系列的User_Manual，本文不做过多的介绍。
SPI 布局框图介绍
SPI 通讯模式
通讯引脚
：如_SPI通讯模式图_的①所示，GD32硬件接口SCK、NSS、MOSI、MISO为尺度的SPI协议的四条信号线；IO2、IO3为GD32的SPI四线模式利用到的引脚，分别为：发送或接收数据2线和3线（在GD32F30x中仅SPI0支持四线主机模式）。各个系列的SPI个数不同，SPI接口和芯片I/O口的对应关系，可查阅各个系列的Datasheet。
时钟天生器
：如_SPI通讯模式图_的②所示，SCK线的时钟信号，是由波特率发生器根据“控制寄存器0（SPI_CTL0）”中的PSC[2:0]位控制的。详细分频选择如下
000：PCLK/2 100：PCLK/32
001：PCLK/4 101：PCLK/64
010：PCLK/8 110：PCLK/128
011：PCLK/16 111：PCLK/256
当利用SPI0时，PCLK=PCLK2，当利用SPI1和SPI2时，PCLK=PCLK1。
数据通讯单元
：如_SPI通讯模式图_的③所示，SPI的MOSI及MISO都连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据泉源及目标接收、发送缓冲区以及MISO、MOSI线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“发送缓冲区”为数据源，把数据一位一位地通过数据线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把数据线采样到的数据一位一位地存储到“接收缓冲区”中。
通过写SPI的“数据寄存器（SPI_DATA）”把数据填充到发送缓冲区中，通讯读“数据寄存器（SPI_DATA）”，可以获取接收缓冲区中的内容。此中数据帧长度可以通过“控制寄存器0（SPI_CTL0）”的“FF16位”配置成8位及16位模式；配置“LF位”可选择MSB先行还是LSB先行。
下面以SPI作为主机MSB先行收发数据来分析一下通讯流程：
控制NSS信号线进入低电平，选中从器件发出通信开始信号；
检查“发送缓冲区”是否为空（SPI_STAT的TBE是否为1），如果为空，将所需要发送的数据写入“发送缓冲区”；
“发送缓冲区”里的数据一次性写入“移位寄存器”，一旦“发送缓冲区”里的数据写入“移位寄存器”SPI通信正式开始；
“移位寄存器”通过MOSI信号线从高位一位一位的发送到接收方，由于SPI的通信时全双工的，以是MOSI每发出一位MISO就接收一位存入移位寄存器；
直到一个数据单元发完(数据单元巨细8位/16位可配置)。“移位寄存器”里接收返来的数据将一次性写入“接收缓冲区”，这时SPI_STAT的RBNE位将置1。也就是说“接收缓冲区”已有数 据。这时就可以读取数据了。
如果要发多组数据或者收多组数据，只需重复第2,3,4,5步。注意如果只收不发时，只需发送0xFF即可；
当全部数据都通信完成控制NSS信号进入高电平，通信正式结束。
各系列 SPI 功能差异
GD32系列MCU有关SPI外设各系列功能差异如下表所示
8.3.硬件连接说明
SPI 串行 Flash 硬件连接图
如图所示，为典范的SPI外设硬件连接图：GD25Q40是一种利用 SPI通讯协议的NOR FLASH存储器，它的CS/SCLK/SI/SO引脚分别连接到了GD32对应的SPI引脚NSS/SCK/MOSI/MISO上，此中GD32的NSS引脚是一个平凡的GPIO，不是SPI的专用NSS引脚，以是程序中我们要利用软件控制的方式。若硬件计划中为SPI_NSS可以程序里可以配置为硬件控制方式。
读者可以根据典范硬件连接图和相应系列的Datasheet计划出自己的硬件连接方式。
8.4.软件配置说明
本末节讲解SPI_Example进程中SPI模块的配置说明，主要包括外设时钟配置、GPIO引脚配置、SPI外设配置、主函数介绍以及运行效果。本例程主要介绍GD32 MCU各系列SPI0模块的数据发送，有关SPI其他功能例程可参考各系列固件库例程。
外设时钟配置
外设时钟配置如代码清单例程时钟配置所示，在GD32全系列MCU中需打开GPIOA和SPI0的时钟，由于利用到PA3/PA5/PA7引脚以及SPI0模块，另外，在GD32F10X、GD32F20X、GD32F30X、GD32E10X中需要打开AF时钟。
void rcu_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X || GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 ||
GD32E23X
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI0);
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X
rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
#elif defined GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X
#endif
#endif
}
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GPIO 引脚配置
GPIO引脚配置如代码清单SPI例程GPIO引脚配置所示，GD32F10X、GD32F30X、GD32F20X、GD32E10X系列GPIO配置雷同，PA5、PA7需配置为复用推挽输出、PA6需配置为浮空输入、PA3作为片选控制引脚配置为推挽输出模式；GD32F1X0、GD32F4XX、GD32F3X0、 GD32E23X系列GPIO配置基本雷同，不同在于PA5/PA6/PA7引脚的AF复用功能配置不同，在GD32F1X0、GD32F3X0和GD32E23X上，需要配置为AF0模式，在GD32F4XX上需要配置为AF5模式。GPIO配置完成后，例程中将CS片选信号拉高。
void gpio_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X
/* SPI0 GPIO config:SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7);
gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);
/* PA3 as NSS */
gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_3);
#elif defined GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X
#if defined GD32F1X0 || GD32F3X0 || GD32E23X
/* SPI0 GPIO config: SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_0, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
#elif defined GD32F4XX
gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_5, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
#endif
gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_3);
gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_3);
#endif
SET_SPI0_NSS_HIGH
}
复制代码
SPI 外设配置
SPI外设配置如代码清单SPI例程SPI外设配置所示。GD32全系列MCU中SPI外设配置基本雷同，在本例程中，SPI0作为主机全双工模式，GD32尺度库提供了SPI初始化布局体及初始化函数来配置SPI外设，其初始化布局体说明如表 0-13 SPI初始化布局体说明列表所示，SPI初始化布局体填充完成后，调用spi_init函数举行SPI外设配置，配置完成后，调用spi_enable使能SPI外设。
void spi_config(void)
{
#if defined GD32F10X_HD|| GD32F30X_HD || GD32F1X0 || GD32F20X_CL || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E10X ||
GD32E23X
spi_parameter_struct spi_init_struct;
/* SPI0 parameter config */
spi_init_struct.trans_mode = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;
spi_init_struct.device_mode = SPI_MASTER;
spi_init_struct.frame_size = SPI_FRAMESIZE_8BIT;
spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;
spi_init_struct.nss = SPI_NSS_SOFT;
spi_init_struct.prescale = SPI_PSC_256;
spi_init_struct.endian = SPI_ENDIAN_MSB;
spi_init(SPI0, &spi_init_struct);
spi_enable(SPI0);
#endif
}
复制代码
SPI 初始化布局体说明列表
主函数说明
主函数如代码清单SPI例程主函数所示，该主函数主要分成四部门，RCU时钟配置、 GPIO 配置、SPI外设配置和while（1）主函数，前三部门已在前三末节介绍，在while(1)主循环中接纳查询的方法循环发送SPI数据，单次循环数据填充完成后，查询RBNE和TRANS标记位判定命据发送 完成，然后拉高CS片选，完成单次循环发送。
int main(void)
{
/* peripheral clock enable */
rcu_config();
/* GPIO config */
gpio_config();
/* SPI config */
spi_config();
while(1)
{
SET_SPI0_NSS_LOW
/* wait for transmit complete */
while(send_n < arraysize){
while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TBE));
spi_i2s_data_transmit(SPI0, spi0_send_array[send_n++]);
}
while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_RBNE));
while(RESET != spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TRANS))
{}
SET_SPI0_NSS_HIGH
send_n = 0;
}
}
复制代码
运行效果
将SPI_Example例程按照对应的芯片工程编译完成后，下载到对应芯片中，接纳示波器或者逻辑分析仪查看SPI_CS、SPI_CLK、SPI_MOSI引脚波形，如下图SPI发送逻辑分析仪抓取波形图所示，通过协议解析后，SPI数据发送正确。
8.5.SPI 利用注意事项
(1) 在切换SPI时钟前要关闭SPI，切换完成后再使能SPI。
(2) 在接纳SPI发送数据时，发送buf空标记TBE置位，并不代表数据发送完成，仅代表数据从发送数据寄存器移到发送移位寄存器中，如果通过查询TBE标记来拉高CS片选，由于GD32系列MCU代码执行服从较高，当发送速率较低时可能会出现当TBE置位时，拉高CS片选，此时数据还未完成发送，造成从机接受数据堕落。可以通过查询接收数据寄存器非空RBNE和TRANS标记位来判定命据发送完成，然后再拉高CS片选。
(3) SPI的MISO管脚需配置为浮空输入模式，否则有可能数据接收异常。
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