第11章 STC單片機SPI原理及實現(xiàn)

1、第十一章，STC單片機SPI的原理與實現(xiàn)，何斌2015.02，STCSPI模塊結構與功能SPI模塊寄存器組SPI模塊配置與時序SPI模塊設計示例，本章主要內容，利用SPI進行數(shù)據(jù)傳輸，不僅需要活動方(發(fā)送數(shù)據(jù)的一方)提供的時鐘信號。此外，需要由活動方(發(fā)送數(shù)據(jù)的一方)提供的同步信號?；赟PI的通信模式是一種典型的高速同步雙向數(shù)據(jù)傳輸模式。這種通信方式在工業(yè)中被廣泛使用。一般來說，串行接口主要用于EEPROM、FLASH、實時時鐘、模數(shù)轉換器、數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間的數(shù)據(jù)傳輸。STC系列單片機提供了另一種高速串行通信接口SPI接口。SPI接口為數(shù)據(jù)傳輸提供主機模式和從機模式。在主模

2、式下，支持高達3兆位/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果單片機的主頻率為2036兆赫，工作頻率為12兆赫，它可以提供更高的工作速度。在從機模式下，速度有限，STC建議數(shù)據(jù)傳輸速率在SYSclk/4以內。此外，SPI接口提供完成標志和寫沖突標志的保護。STCSPI模塊結構和功能- STC單片機SPI模塊功能，在SPI接口中，提供四個信號用于高速同步數(shù)據(jù)傳輸。包括MOSI主設備輸出和從設備輸入信號，實現(xiàn)從主設備(發(fā)送數(shù)據(jù))到從設備(接收數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)傳輸。當STC的SPI接口作為主設備傳輸數(shù)據(jù)時，信號方向輸出并指向從設備；當單片機的串行接口作為從機接收數(shù)據(jù)時，輸入信號方向，從機指向單片機的串行接口。STCSPI

3、模塊結構和功能SPI接口信號、MISO主設備輸入和從設備輸出信號，實現(xiàn)從設備(發(fā)送數(shù)據(jù))到主設備(接收數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)傳輸。當單片機的SPI接口作為主機傳輸數(shù)據(jù)時，輸入信號方向，從機指向單片機的SPI接口；當STC的SPI接口作為從設備接收數(shù)據(jù)時，信號方向被輸出并指向從設備。注:無論單片機的SPI接口是作為主機還是從機，MOSI和味噌的傳輸方向都是相反的。STCSPI模塊結構和功能SPI接口信號、SCLK串行時鐘信號，由主設備發(fā)送并指向從設備。在串行時鐘的控制下，它用于同步主設備和從設備之間的MISO和MOSI信號線上的數(shù)據(jù)傳輸過程。當主設備開始數(shù)據(jù)傳輸過程時，它會自動向從設備生成8個SCLK信號

4、。當SCLK信號的上升沿或下降沿到來時，一位數(shù)據(jù)被移出。一次可以傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。注:(1)在某些應用中，多個器件的SPI接口的SCLK、MOSI和味噌信號連接在一起。數(shù)據(jù)通過MOSI信號從主設備發(fā)送到從設備。(2)如果SPCTL寄存器中的SPEN位設置為0(復位值為0)，則禁用SPI接口，分配給這些信號的引腳可用作普通輸入/輸出引腳。STCSPI模塊結構和功能SPI接口信號、SS從設備選擇信號。利用該信號，主器件用于選擇從模式下的SPI器件。在主模式和從模式下，SS信號的使用方式不同。在主機模式下，SPI接口只能有一個主機設備，選擇主機沒有問題。在這種模式下，該位不是必需的。在主模式下，通

5、過10K電阻將主設備的SS引腳拉高。每個從設備的SS信號與主設備的SS信號連接，并且主設備控制電平，使得主設備可以選擇從設備。在從機模式下，無論信號是接收還是發(fā)送，都必須有效。因此，在數(shù)據(jù)傳輸開始之前，必須將SS信號拉低。STCSPI模塊結構和功能- SPI接口信號，通過SS信號，SPI從設備確認其是否被選中。如果滿足以下條件之一，忽略此信號:如果SPI接口被禁用。在SPI主機的情況下，SPCTL寄存器的MSTR位置被設置為1，并且P1.2/SS被配置為輸出。如果SPCTL寄存器的SSIG位為高，則該引腳用作正常的輸入/輸出功能。注:即使STC單片機的SPI接口配置為主設備，也可以通過拉下SS

6、引腳將其配置為從設備。該特性通過設置寄存器中的相應位來使能。STCSPI模塊結構和功能SPI接口信號，三種數(shù)據(jù)通信方式由STC15系列單片機的SPI接口提供。單主設備和單從設備模式，STCSPI模塊結構和功能SPI接口數(shù)據(jù)通信模式。在此通信配置模式下，從設備的SSIG位設置為0，SS用于選擇從設備。SPI主機可以使用任何引腳(包括1.2/SS引腳)來驅動SS信號。主器件的串行接口和從器件串行接口的8位移位寄存器構成一個環(huán)形16位移位寄存器。在這種模式下，主設備不僅可以向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)，還可以讀取從設備發(fā)送的數(shù)據(jù)。STCSPI模塊結構和功能-SPI接口數(shù)據(jù)通信模式，雙器件模式器件可以是主器件和從

7、器件，STCSPI模塊結構和功能-SPI接口數(shù)據(jù)通信模式，在這種配置模式下，當沒有SPI數(shù)據(jù)傳輸時，兩個器件都可以充當主器件，清零SSIG并在準雙向模式下配置P1.2/SS引腳。當其中一個設備開始傳輸時，它將1.2/SS配置為輸出，并將其驅動至低電平，從而將另一個設備變?yōu)閺脑O備。初始化時，雙方都將自己配置為忽略SS引腳的從機模式。當一方想要主動發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢查SS引腳的電平。如果SS引腳為高電平，設置自己忽略SS引腳的主模式。正常情況下，通信雙方都將自己配置為沒有選定的從機模式。在這種模式下，味噌、MOSI和SCLK信號都是輸入。在這種模式下，當多個單片機的串行接口并行連接時，不會發(fā)生總線

8、沖突。STCSPI模塊結構和功能- SPI接口數(shù)據(jù)通信模式、單主設備和多從設備模式在該配置中，從設備的SSIG位置為0，通過SS信號選擇相應的從設備。主設備的SPI接口可以使用任何端口來驅動SS引腳。STCSPI模塊結構和功能SPI接口數(shù)據(jù)通信模式，SPI模塊核心是一個8位移位寄存器和數(shù)據(jù)緩沖器，可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。STCSPI模塊結構和函數(shù)- SPI模塊內部結構，對于主模式，如果要發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，只需將數(shù)據(jù)寫入SPDAT寄存器。在這種模式下，擴頻信號是不必要的；在從機模式下，只有在SS信號變得有效并且接收到合適的時鐘信號后，才能開

9、始數(shù)據(jù)傳輸。在從機模式下，如果一個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸完成，SS信號變?yōu)楦唠娖剑撟止?jié)立即被硬件邏輯標記為接收完成。隨后，SPI接口準備接收下一個數(shù)據(jù)。STCSPI模塊結構和功能SPI模塊內部結構SPI控制寄存器SPCTL，它位于STC單片機專用功能寄存器的地址0 xCE。復位后，該寄存器的值為“00000100”。SSIGSS引腳忽略控制位。當該位為1時，MSTR位決定微控制器是主設備還是從設備。當該位為0時，SS引腳用于確定微控制器是主設備還是從設備。SS引腳可用作正常輸入/輸出、SPI模塊寄存器組- SPI控制寄存器，即SPI控制寄存器SPCTL的每一位、SPENSPI使能控制位。當該位為1時

10、，SPI接口使能。當該位為0時，SPI接口禁用，所有SPI接口的信號引腳可用作普通輸入/輸出。DORD設置SPI數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的位順序。當該位為1時，首先傳輸數(shù)據(jù)字的最低有效位(LSB)。當該位為0時，首先傳輸數(shù)據(jù)字的最高有效位(MSB)。MSTR主從模式選擇位。當該位為1時，主模式；當該位為0時，從機模式。SPI模塊寄存器集-SPI控制寄存器，SPI模塊寄存器集-SPI控制寄存器，CPOL:SPI時鐘極性選擇位。當該位為1時，SCLK處于高空閑狀態(tài)。SCLK的前一個時鐘沿是下降沿，而下一個時鐘沿是上升沿。當該位為0時，SCLK處于低電平空閑狀態(tài)。SCLK的前一個時鐘沿是上升沿，而下一個時鐘沿

11、是下降沿。CPHA:SPI時鐘相位選擇位。當該位為1時，數(shù)據(jù)在SCLK的前時鐘沿驅動，并在后時鐘沿采樣。當該位為0時，它在SS為低電平時驅動數(shù)據(jù)，在SCLK的后時鐘邊沿改變數(shù)據(jù)，并在前時鐘邊沿采樣。SPR1和SPR0時鐘速率選擇位、SPI模塊寄存器集- SPI控制寄存器集、SPR1和SPR0位的含義、SPI狀態(tài)寄存器SPSTAT該寄存器位于STC單片機專用功能寄存器的地址0 xCD。復位時，該寄存器的值為“00”xxxxx十.SPI模塊寄存器設置- SPI狀態(tài)寄存器，表示SPI狀態(tài)寄存器SPSTAT、SPIFSPI傳輸完成標志的每一位。當SPI數(shù)據(jù)傳輸完成時，硬件將該位設為1。此時，如果允許S

12、PI中斷，就會產生一個中斷。當SPI處于主機模式且SSIG為0時，如果SS引腳被輸入并驅動至低電平，硬件也會將該標志置1，這意味著更改模式WCOLSPI寫沖突標志。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，如果寫入了SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDAT，硬件會將該標志設置為1。串行接口模塊寄存器組串行接口狀態(tài)寄存器、串行接口數(shù)據(jù)寄存器SPDAT，位于單片機專用功能寄存器的地址0 xCF。復位時，該寄存器的值為“0000000”。SPI模塊寄存器組- SPI數(shù)據(jù)寄存器，SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDAT位含義，中斷優(yōu)先級寄存器2該寄存器位于STC單片機特殊功能寄存器的地址0 xB5。復位時，該寄存器的值為“xxx00000”。PSPIS

13、PI中斷優(yōu)先級控制位。當該位為0時，SPI中斷為最低優(yōu)先級中斷(優(yōu)先級為0)；當該位為1時，SPI中斷為最高優(yōu)先級中斷(優(yōu)先級1)。SPI模塊寄存器組-中斷優(yōu)先級寄存器2，中斷優(yōu)先級控制寄存器IP2，中斷允許寄存器IE2，位于STC單片機特殊功能寄存器的地址0 xAF。復位時，該寄存器的值為“x000000”。ESPISPI中斷使能位。當該位為1時，允許SPI中斷；當該位為0時，SPI中斷被禁用。SPI模塊寄存器組-中斷允許寄存器2，即中斷允許寄存器IE2的每一位的含義，PCA模塊引腳切換寄存器AUXR1(P_SW1)，它位于STC單片機特殊功能寄存器的地址0 xA2。復位時，該寄存器的值為“

14、0000000”。SPI模塊寄存器組控制SPI引腳位置寄存器、PCA模塊引腳開關寄存器AUXR1(P_SW1)含義、SPI_S1和SPI_S0決定單片機上的SPI接口引腳位置、SPI模塊寄存器組控制SPI引腳位置寄存器、SPI_S1和SPI_S0含義、SPI模塊配置和時序SPI配置模式、工作模式、SPI模塊配置和時序SPI配置模式、主從模式選擇、SPI模塊配置和時序SPI配置模式、主從模式選擇由SPEN控制如果SPI使能并設置為主設備，主設備對SPI數(shù)據(jù)寄存器的寫操作將啟動SPI時鐘發(fā)生器和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)寫入SPDAT后的0.51 SPI位時間，數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在MOSI引腳上。發(fā)送一個字節(jié)后，停止

15、SPI時鐘，將SPIF標志置1，并產生一個中斷。主設備和從設備的兩個移位寄存器可以被視為16位循環(huán)移位寄存器。同時，當數(shù)據(jù)從主設備轉移到從設備時，數(shù)據(jù)從從設備以相反的方向轉移到主設備。也就是說，主設備和從設備在一個移位周期期間彼此交換數(shù)據(jù)。主/從模式中的注意事項-主/從模式中的注意事項-主設備中的注意事項，當CPHA為0時，SSIG必須為0，不能忽略SS引腳，SS引腳必須設置為低電平，并且必須在每個連續(xù)串行字節(jié)發(fā)送后復位為高電平。當SS為低電平有效時，如果寫入SPDAT寄存器，將出現(xiàn)寫沖突錯誤。當CPHA為1時，SSIG可以設為1，SS引腳可以忽略。如果SSIG為0，SS引腳在連續(xù)傳輸之間保持

16、低電平有效。該方法適用于具有單個固定主設備和單個固定從設備驅動MISO數(shù)據(jù)線的系統(tǒng)。SPI模塊配置和時序-通過SS修改模式。如果SPEN是1，SSIG是0，MSTR是1，SPI是主要模式。使用P2M1和P2M0寄存器(用于器件P2端口的輸入/輸出模式)將SS引腳配置為輸入或準雙向模式。在這種模式下，另一個主器件可以將該引腳驅動為低電平，從而選擇該器件作為SPI從器件，并向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)。為了避免總線沖突，SPI執(zhí)行以下操作：清除MSTR并成為從機。同時，MOSI和SCLK被強制作為輸入模式，而MISO被強制作為輸出模式。將SPSTAT寄存器中的SPIF標志置1。如果串行接口中斷已使能，則產生串

17、行接口中斷。SPI模塊配置和定時寫沖突，發(fā)送數(shù)據(jù)時SPI處于單級緩沖模式；接收數(shù)據(jù)時，它處于雙緩沖模式。如果數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)傳輸期間寫入移位寄存器，WCOL位1表示數(shù)據(jù)沖突。在這種情況下，當前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)繼續(xù)被發(fā)送，但是新寫入的數(shù)據(jù)丟失。因為主設備具有控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，所以主設備很少發(fā)生寫沖突。但是，寫沖突可能發(fā)生在從屬設備中。這是因為當主設備開始數(shù)據(jù)傳輸時，從設備不能控制數(shù)據(jù)傳輸過程。從設備接收數(shù)據(jù)時，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到并行讀取數(shù)據(jù)緩沖器。這樣，移位寄存器被釋放以接收下一個數(shù)據(jù)。在下一個字符完全移入之前，必須從數(shù)據(jù)寄存器中讀取接收到的數(shù)據(jù)。否則，以前的數(shù)據(jù)將會丟失。SPI模塊配置和時序寫入沖突、SPI模塊配置和時序數(shù)據(jù)模式時序，允許用戶通過時鐘相位控制位CPHA來設置采樣和改變數(shù)據(jù)的時鐘邊沿。此外，時鐘極性位控制位CPOL允許用戶設置時鐘的極性。從下圖可以看出，當CPOL為0時，SCLK處于低電平的空閑狀態(tài)；當CPOL為1時，SCLK處于高空閑狀態(tài)。SPI模塊配置和時序-數(shù)據(jù)模式時序，從模式數(shù)據(jù)傳輸時序當CPHA為0，從模式數(shù)據(jù)傳輸時序當CPHA為1，主模式數(shù)據(jù)傳輸時序當CPHA為0，SPI模塊配置和時序-數(shù)據(jù)模式時序當CPHA為1，SPI模塊設計示例-系