1.1   SPI模块功能框图

典型的SPI控制器由如波特率发生器、主控逻辑、收发缓冲、控制部分等几大部分组成。

通常SPI通过4个管脚与外部器件相连：

l        MISO：主收从发管脚，仅由从设备控制；单向数据线；

l        MOSI：主发从收管理，仅由主设备控制；单向数据线；

l        SCK：串口时钟，由主设备控制，仅由主设备控制；用于时钟同步；

l        NSS(SEL)：从设备选择管脚，对于主机，无用，可配置为GPIO口用于选择从机；仅由主设备控制；用于从机寻址；

从机仅控制MISO管脚，发数据到主机。

1.2        典型应用

MOSI脚相互连接，MISO脚相互连接。这样，数据在主和从之间串行地传输(MSB位在前)。

拓扑结构：

主从、一对多、全双工的通信方式；数据输出和数据输入在SCK信号边沿同步。

缺点：信号线的数量较多。

1.3        通信协议

  这里的通信协议，同UART，只规定了每一帧数据如何传输，并未对帧结构的组成做介绍。相对而言，IIC不仅指定了位传输协议，还指定了帧的格式。

      CPOL和CPHA位组合成四种可能的时序关系。CPOL(时钟极性)位控制在没有数据传输时时钟的空闲状态电平，CPHA位控制数据采样的边沿。所有的采样均同步于SCK。

l        CPOL = 0，SCK引脚在空闲状态 = 0；CPOL = 1，SCK引脚在空闲状态 = 1；

l        CPHA = 1，接收器接收数据在SCK时钟的第二个边沿(CPOL
= 00时下降沿，CPOL = 1时上升沿)数据采样，第二个时钟边沿被锁存；CPHA = 0，接受器接收数据在SCK时钟的第一边沿(CPOL = 0时下降沿，CPOL = 1时上升沿)采样，数据在第二个时钟边沿被锁存。发送器总是在第二个时钟边沿输出数据。

l        CPOL时钟极性和CPHA时钟相位的组合选择数据捕捉的时钟边沿。

    特别注意，当总线上没有SCK时钟信号时，即使从机有数据要发送，从机也会等待SCK信号到来，并在SCK信号的指定边沿将信号输出。

   数据帧格式为：MSB/LSB在先，8/16/32位等，收发双发数据帧格式、时钟极性和相位的配置必须相同。对于每帧的具体内容，并不作解释。

1.4        SPI配置

1.4.1   SPI从模式

在从配置里，SCK引脚用于接收到从主设备来的串行时钟，时钟由主设备提供。

1．   配置步骤

l        定义数据帧格式为8位或16位；帧格式为MSB或LSB为第一位；

l        选择CPOL和CPHA位来定义数据传输和串行时钟之间的相位关系，从设备和主设备的CPOL和CPHA位必须配置成相同的方式。

l        设备为从模式，使能SPI。

此时，MOSI引脚是数据输入，MISO引脚是数据输出。

2．   数据发送过程

    只有当从设备收到主设备传到的时钟信号时，才可始发送。在MOSI引脚上出现第一个数据位时，发送过程开始，第一个位被发送出去。余下的位(对于8位数据帧格式，还有7位；对于16位数据帧格式，还有15位)被装进移位寄存器。当发送缓冲器中的数据传输到移位寄存器时， TXE(发送缓冲为空)标志被设置，此时可以产生中断以通知应用程序；

3．   数据接收过程

当数据接收完成时：

l        移位寄存器中的数据传送到接收缓冲器，接收移位寄存寄存器中的RXNE（接收缓冲非空）标志被设置；此时，可能产生中断。

1.4.2   SPI主模式

在主配置时，串行时钟在SCK脚产生。

1．   配置步骤

l        配置SCK波特率。波特率由主机控制；

l        配置CPOL和CPHA位，和定义8或16位数据帧、LSBFIRST位帧格式。

l        设置为主模式，使能SPI；

l        在这个配置中，MOSI脚是数据输出，而MISO脚是数据输入。

2．   数据发送过程

    当一字节写进发送缓冲器时，发送过程开始。在发送第一个数据位时，数据字被并行地(通过内部总线)传入移位寄存器，而后串行地移出到MOSI脚上；MSB在先还是LSB在先，取决于SPI_CR1寄存器中的LSBFIRST位。数据从发送缓冲器传输到移位寄存器时TXE标志将被置位，同时可能产生中断。

3．   数据接收过程

对于接收器来说，当数据传输完成时：
移位寄存器里的数据传送到接收缓冲器，并且RXNE标志被置位；

1.4.3   特殊配置-单工通信

SPI通常以全双工的方式通信，但也能够以两种配置工作于单工方式：

l        1条时钟线和1条双向数据线

l        1条时钟线和1条数据线(双工模式下只读方式)

1．   1条时钟线和1条双向数据线

设置SPI_CR1寄存器中的BIDIMODE位而启用此模式。在这个模式中，SCK用作时钟，主模式中的MOSI或从模式中的MISO用作数据通信。传输的方向由配置寄存中的特殊位控制：当位是1的时候，数据线是输出，否则是输入。

2．   1条时钟和1条数据线(双工模式下只读方式)

为了释放一根I/O脚作为它用，可以通过设置禁止SPI输出功能，SPI将运行于只接收模式。 接收脚(主设备的MISO，或者从设备的MOSI)可以当作通用IO口使用。因此读数据寄存器时，读不到接收的值。

1.4.4   常见SPI控制器的状态标志

应用程序通过3个状态标志可以完全监控SPI总线的状态。

1．   忙(Busy)标志

此标志表明SPI通信层的状态。当它被设置时，表明SPI正忙于通信，并且/或者在发送缓冲器里有一个有效的数据字正在等待被发送。此标志的目的是说明在SPI总线上是否有正在进行的通信。以下情况时此标志将被置位：

l        数据被写进主设备的发送数据寄存器上。

l        SCK时钟出现在从设备的时钟引脚上。

发送/接收一个字(字节)完成后，BUSY标志立即清除；此标志由硬件设置和清除。监视此标志可以避免写冲突错误。写此标志无效。仅当SPE位被设置时此标志才有意义。

2．   发送缓冲器空闲标志(TXE)

此标志被置位时表明发送缓冲器为空，因此下一个待发送的数据可以写进缓冲器里。当发送缓冲器有一个待发送的数据时，TXE标志被清除。当SPI被禁止时，此标志被清除。

3．   接收缓冲器非空(RXNE)

此标志为’1’时表明在接收缓冲器中包含有效的接收数据。读SPI数据寄存器可以清除此标志。

1.4.5   错误标志

1．   主模式错误(MODF)

主模式故障仅发生在：在片选引脚硬件模式管理下，主设备的NSS脚被拉低；或者在片选引脚软件模式管理下，SSI位被复位时；MODF位被自动置位。主模式故障对SPI设备有以下影响：

l        MODF位被置位，如果设置了ERRIE位则产生SPI中断；

l        SPE位被复位。这将停止一切输出，并且关闭SPI接口；

l        MSTR位被复位，因此强迫此设备进入从模式。

下面的步骤用于清除MODF位：

l        当MODF位被置位时，执行一次对SPI_SR寄存器的读或写操作；

l        然后写SPI_CR1寄存器 。

在有多个MCU的系统中，为了避免出现多个从设备的冲突，必须先拉高该主设备的NSS脚，再对MODF位进行清零。在清零的过程中或者清零完成之后，SPE和MSTR位可以恢复到它们的原始状态。

出于安全的考虑，当MODF位被置位的情况下，硬件不允许设置SPE和MSTR位。

通常配置下，从设备的MODF位不能被置位。然而，在多主配置里，一个设备可以在设置了MODF位的情况下，处于从设备模式；此时，MODF位指示可能出现了多主冲突。中断程序可以执行一个复位或返回到默认状态来从错误状态中恢复。

2．   溢出错误

当主设备已经发送了数据字节，而从设备还没有清除前一个数据字节产生的RXNE时，即为溢出错误。当产生溢出错误时：