第11章 STC单片机SPI原理及实现

1、第十一章，STC单片机SPI的原理与实现，何斌2015.02，STCSPI模块结构与功能SPI模块寄存器组SPI模块配置与时序SPI模块设计示例，本章主要内容，利用SPI进行数据传输，不仅需要活动方(发送数据的一方)提供的时钟信号。此外，需要由活动方(发送数据的一方)提供的同步信号。基于SPI的通信模式是一种典型的高速同步双向数据传输模式。这种通信方式在工业中被广泛使用。一般来说，串行接口主要用于EEPROM、FLASH、实时时钟、模数转换器、数字信号处理器和数字信号解码器之间的数据传输。STC系列单片机提供了另一种高速串行通信接口SPI接口。SPI接口为数据传输提供主机模式和从机模式。在主模

2、式下，支持高达3兆位/秒的数据传输速率。如果单片机的主频率为2036兆赫，工作频率为12兆赫，它可以提供更高的工作速度。在从机模式下，速度有限，STC建议数据传输速率在SYSclk/4以内。此外，SPI接口提供完成标志和写冲突标志的保护。STCSPI模块结构和功能- STC单片机SPI模块功能，在SPI接口中，提供四个信号用于高速同步数据传输。包括MOSI主设备输出和从设备输入信号，实现从主设备(发送数据)到从设备(接收数据)的数据传输。当STC的SPI接口作为主设备传输数据时，信号方向输出并指向从设备；当单片机的串行接口作为从机接收数据时，输入信号方向，从机指向单片机的串行接口。STCSPI

3、模块结构和功能SPI接口信号、MISO主设备输入和从设备输出信号，实现从设备(发送数据)到主设备(接收数据)的数据传输。当单片机的SPI接口作为主机传输数据时，输入信号方向，从机指向单片机的SPI接口；当STC的SPI接口作为从设备接收数据时，信号方向被输出并指向从设备。注:无论单片机的SPI接口是作为主机还是从机，MOSI和味噌的传输方向都是相反的。STCSPI模块结构和功能SPI接口信号、SCLK串行时钟信号，由主设备发送并指向从设备。在串行时钟的控制下，它用于同步主设备和从设备之间的MISO和MOSI信号线上的数据传输过程。当主设备开始数据传输过程时，它会自动向从设备生成8个SCLK信号

4、。当SCLK信号的上升沿或下降沿到来时，一位数据被移出。一次可以传输一个字节的数据。注:(1)在某些应用中，多个器件的SPI接口的SCLK、MOSI和味噌信号连接在一起。数据通过MOSI信号从主设备发送到从设备。(2)如果SPCTL寄存器中的SPEN位设置为0(复位值为0)，则禁用SPI接口，分配给这些信号的引脚可用作普通输入/输出引脚。STCSPI模块结构和功能SPI接口信号、SS从设备选择信号。利用该信号，主器件用于选择从模式下的SPI器件。在主模式和从模式下，SS信号的使用方式不同。在主机模式下，SPI接口只能有一个主机设备，选择主机没有问题。在这种模式下，该位不是必需的。在主模式下，通

5、过10K电阻将主设备的SS引脚拉高。每个从设备的SS信号与主设备的SS信号连接，并且主设备控制电平，使得主设备可以选择从设备。在从机模式下，无论信号是接收还是发送，都必须有效。因此，在数据传输开始之前，必须将SS信号拉低。STCSPI模块结构和功能- SPI接口信号，通过SS信号，SPI从设备确认其是否被选中。如果满足以下条件之一，忽略此信号:如果SPI接口被禁用。在SPI主机的情况下，SPCTL寄存器的MSTR位置被设置为1，并且P1.2/SS被配置为输出。如果SPCTL寄存器的SSIG位为高，则该引脚用作正常的输入/输出功能。注:即使STC单片机的SPI接口配置为主设备，也可以通过拉下SS

6、引脚将其配置为从设备。该特性通过设置寄存器中的相应位来使能。STCSPI模块结构和功能SPI接口信号，三种数据通信方式由STC15系列单片机的SPI接口提供。单主设备和单从设备模式，STCSPI模块结构和功能SPI接口数据通信模式。在此通信配置模式下，从设备的SSIG位设置为0，SS用于选择从设备。SPI主机可以使用任何引脚(包括1.2/SS引脚)来驱动SS信号。主器件的串行接口和从器件串行接口的8位移位寄存器构成一个环形16位移位寄存器。在这种模式下，主设备不仅可以向从设备发送数据，还可以读取从设备发送的数据。STCSPI模块结构和功能-SPI接口数据通信模式，双器件模式器件可以是主器件和从

7、器件，STCSPI模块结构和功能-SPI接口数据通信模式，在这种配置模式下，当没有SPI数据传输时，两个器件都可以充当主器件，清零SSIG并在准双向模式下配置P1.2/SS引脚。当其中一个设备开始传输时，它将1.2/SS配置为输出，并将其驱动至低电平，从而将另一个设备变为从设备。初始化时，双方都将自己配置为忽略SS引脚的从机模式。当一方想要主动发送数据时，首先检查SS引脚的电平。如果SS引脚为高电平，设置自己忽略SS引脚的主模式。正常情况下，通信双方都将自己配置为没有选定的从机模式。在这种模式下，味噌、MOSI和SCLK信号都是输入。在这种模式下，当多个单片机的串行接口并行连接时，不会发生总线

8、冲突。STCSPI模块结构和功能- SPI接口数据通信模式、单主设备和多从设备模式在该配置中，从设备的SSIG位置为0，通过SS信号选择相应的从设备。主设备的SPI接口可以使用任何端口来驱动SS引脚。STCSPI模块结构和功能SPI接口数据通信模式，SPI模块核心是一个8位移位寄存器和数据缓冲器，可以同时接收和发送数据。在数据传输过程中，接收和发送的数据存储在数据缓冲区中。STCSPI模块结构和函数- SPI模块内部结构，对于主模式，如果要发送一个字节的数据，只需将数据写入SPDAT寄存器。在这种模式下，扩频信号是不必要的；在从机模式下，只有在SS信号变得有效并且接收到合适的时钟信号后，才能开

9、始数据传输。在从机模式下，如果一个字节的数据传输完成，SS信号变为高电平，该字节立即被硬件逻辑标记为接收完成。随后，SPI接口准备接收下一个数据。STCSPI模块结构和功能SPI模块内部结构SPI控制寄存器SPCTL，它位于STC单片机专用功能寄存器的地址0 xCE。复位后，该寄存器的值为“00000100”。SSIGSS引脚忽略控制位。当该位为1时，MSTR位决定微控制器是主设备还是从设备。当该位为0时，SS引脚用于确定微控制器是主设备还是从设备。SS引脚可用作正常输入/输出、SPI模块寄存器组- SPI控制寄存器，即SPI控制寄存器SPCTL的每一位、SPENSPI使能控制位。当该位为1时

10、，SPI接口使能。当该位为0时，SPI接口禁用，所有SPI接口的信号引脚可用作普通输入/输出。DORD设置SPI数据发送和接收的位顺序。当该位为1时，首先传输数据字的最低有效位(LSB)。当该位为0时，首先传输数据字的最高有效位(MSB)。MSTR主从模式选择位。当该位为1时，主模式；当该位为0时，从机模式。SPI模块寄存器集-SPI控制寄存器，SPI模块寄存器集-SPI控制寄存器，CPOL:SPI时钟极性选择位。当该位为1时，SCLK处于高空闲状态。SCLK的前一个时钟沿是下降沿，而下一个时钟沿是上升沿。当该位为0时，SCLK处于低电平空闲状态。SCLK的前一个时钟沿是上升沿，而下一个时钟沿

11、是下降沿。CPHA:SPI时钟相位选择位。当该位为1时，数据在SCLK的前时钟沿驱动，并在后时钟沿采样。当该位为0时，它在SS为低电平时驱动数据，在SCLK的后时钟边沿改变数据，并在前时钟边沿采样。SPR1和SPR0时钟速率选择位、SPI模块寄存器集- SPI控制寄存器集、SPR1和SPR0位的含义、SPI状态寄存器SPSTAT该寄存器位于STC单片机专用功能寄存器的地址0 xCD。复位时，该寄存器的值为“00”xxxxx十.SPI模块寄存器设置- SPI状态寄存器，表示SPI状态寄存器SPSTAT、SPIFSPI传输完成标志的每一位。当SPI数据传输完成时，硬件将该位设为1。此时，如果允许S

12、PI中断，就会产生一个中断。当SPI处于主机模式且SSIG为0时，如果SS引脚被输入并驱动至低电平，硬件也会将该标志置1，这意味着更改模式WCOLSPI写冲突标志。在数据传输过程中，如果写入了SPI数据寄存器SPDAT，硬件会将该标志设置为1。串行接口模块寄存器组串行接口状态寄存器、串行接口数据寄存器SPDAT，位于单片机专用功能寄存器的地址0 xCF。复位时，该寄存器的值为“0000000”。SPI模块寄存器组- SPI数据寄存器，SPI数据寄存器SPDAT位含义，中断优先级寄存器2该寄存器位于STC单片机特殊功能寄存器的地址0 xB5。复位时，该寄存器的值为“xxx00000”。PSPIS

13、PI中断优先级控制位。当该位为0时，SPI中断为最低优先级中断(优先级为0)；当该位为1时，SPI中断为最高优先级中断(优先级1)。SPI模块寄存器组-中断优先级寄存器2，中断优先级控制寄存器IP2，中断允许寄存器IE2，位于STC单片机特殊功能寄存器的地址0 xAF。复位时，该寄存器的值为“x000000”。ESPISPI中断使能位。当该位为1时，允许SPI中断；当该位为0时，SPI中断被禁用。SPI模块寄存器组-中断允许寄存器2，即中断允许寄存器IE2的每一位的含义，PCA模块引脚切换寄存器AUXR1(P_SW1)，它位于STC单片机特殊功能寄存器的地址0 xA2。复位时，该寄存器的值为“

14、0000000”。SPI模块寄存器组控制SPI引脚位置寄存器、PCA模块引脚开关寄存器AUXR1(P_SW1)含义、SPI_S1和SPI_S0决定单片机上的SPI接口引脚位置、SPI模块寄存器组控制SPI引脚位置寄存器、SPI_S1和SPI_S0含义、SPI模块配置和时序SPI配置模式、工作模式、SPI模块配置和时序SPI配置模式、主从模式选择、SPI模块配置和时序SPI配置模式、主从模式选择由SPEN控制如果SPI使能并设置为主设备，主设备对SPI数据寄存器的写操作将启动SPI时钟发生器和数据传输。数据写入SPDAT后的0.51 SPI位时间，数据将出现在MOSI引脚上。发送一个字节后，停止

15、SPI时钟，将SPIF标志置1，并产生一个中断。主设备和从设备的两个移位寄存器可以被视为16位循环移位寄存器。同时，当数据从主设备转移到从设备时，数据从从设备以相反的方向转移到主设备。也就是说，主设备和从设备在一个移位周期期间彼此交换数据。主/从模式中的注意事项-主/从模式中的注意事项-主设备中的注意事项，当CPHA为0时，SSIG必须为0，不能忽略SS引脚，SS引脚必须设置为低电平，并且必须在每个连续串行字节发送后复位为高电平。当SS为低电平有效时，如果写入SPDAT寄存器，将出现写冲突错误。当CPHA为1时，SSIG可以设为1，SS引脚可以忽略。如果SSIG为0，SS引脚在连续传输之间保持

16、低电平有效。该方法适用于具有单个固定主设备和单个固定从设备驱动MISO数据线的系统。SPI模块配置和时序-通过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端口的输入/输出模式)将SS引脚配置为输入或准双向模式。在这种模式下，另一个主器件可以将该引脚驱动为低电平，从而选择该器件作为SPI从器件，并向从器件发送数据。为了避免总线冲突，SPI执行以下操作：清除MSTR并成为从机。同时，MOSI和SCLK被强制作为输入模式，而MISO被强制作为输出模式。将SPSTAT寄存器中的SPIF标志置1。如果串行接口中断已使能，则产生串

17、行接口中断。SPI模块配置和定时写冲突，发送数据时SPI处于单级缓冲模式；接收数据时，它处于双缓冲模式。如果数据在数据传输期间写入移位寄存器，WCOL位1表示数据冲突。在这种情况下，当前传输的数据继续被发送，但是新写入的数据丢失。因为主设备具有控制数据传输的能力，所以主设备很少发生写冲突。但是，写冲突可能发生在从属设备中。这是因为当主设备开始数据传输时，从设备不能控制数据传输过程。从设备接收数据时，将接收到的数据发送到并行读取数据缓冲器。这样，移位寄存器被释放以接收下一个数据。在下一个字符完全移入之前，必须从数据寄存器中读取接收到的数据。否则，以前的数据将会丢失。SPI模块配置和时序写入冲突、SPI模块配置和时序数据模式时序，允许用户通过时钟相位控制位CPHA来设置采样和改变数据的时钟边沿。此外，时钟极性位控制位CPOL允许用户设置时钟的极性。从下图可以看出，当CPOL为0时，SCLK处于低电平的空闲状态；当CPOL为1时，SCLK处于高空闲状态。SPI模块配置和时序-数据模式时序，从模式数据传输时序当CPHA为0，从模式数据传输时序当CPHA为1，主模式数据传输时序当CPHA为0，SPI模块配置和时序-数据模式时序当CPHA为1，SPI模块设计示例-系