2021年02月06日 | MSP430系列通用串行通信模块的同步模式（SPI）

1、SPI概述

串行外围设备接口SPI(seria丨peripheral interface)总线技术是一种同步串行接口，其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。SPI总线上可以连接多个可作为主机的MCU(微控制器)、装有SPI接口的输出设备、输入设备，如液晶驱动、A/D转换等外设，也可以简单连接到单个TTL移位寄存器的芯片。 总线上允许连接多个设备，但在任一瞬间只允许一个设备作为主机。典型的结构如图1示（3线模式）。

图1：SPI典型结构

其中SPI总线的时钟线由主机控制，另外还有数据线：主机输入/从机输出线和主机输出/从机输入线。主机和哪台从机通信通过各从机的选通线进行选择。

应用SPI的系统可以简单，也可以复杂，主要有以下几种形式：

• —台主机MCU和若干台从机MCU。

• 多台MCU互相连接成一个多主机系统。

• 一台主机MCU和若干台从机外围设备。

2、同步操作

当MSP430的 USART 模块控制寄存器 UCTL 的 SYNC 位置位且I2C位复位时，串行模块工作在SPI模式，通过4线（SOMI、SIMO、UCLK 及STE)或者3线（SOMI、SIMO、UCLK)同外界通信。MSP430的同步通信模块有如下特点：

• 支持3线或4线SPI操作。

• 支持主机模式与从机模式。

• 接收和发送有单独的移位寄存器。

• 接收和发送有独立的缓冲器。

• 接收和发送有独立的中断能力。

• 时钟的极性和相位可编程。

• 主模式的时钟频率可编程。

• 7位或8位字符长度。

2.1 SPI模式的引脚信号

引脚 SOMI、SIMO、UCLK 和 STE 用于 SPI模式。其中 SOMI、SIMO、UCLK 在主机模式和从机模式下存在差别，如图2所示。

图2：SOMI、SIMO、UCLK含义

STE：从机模式发送接收允许控制引脚，控制多主从系统中的多个从机。该引脚不用于3线SPI操作，可以在4线模式SPI操作中使多主机共享总线，避免发生冲突。

4线SPI操作主模式中，STE的含义如下：

• 0 SIMO和UCLK被强制进入输入状态；

• 1 SIMO和UCLK正常操作。

4线SPI操作从模式中，STE的含义如下：

• 0 允许从机发送接收数据，SOMI正常操作；

• 1 禁止从机发送接收数据，SOMI被强制进入输入状态。

2.2 SPI的操作方式

SPI是全双工的，即主机在发送的同时也在接收数据，传送的速率由主机编程决定： 主机提供时钟UCLK与数据，从机利用这一时钟接收数据，或在这一时钟下送出数据。主机在任何时侯初始化发送并控制时钟。时钟的极性和相位也是可以选择的，具体的约定由设计人员根据总线上各设备接口的功能决定。4线SPI模式用附加数据线，允许从机数据的发送和接收，它由主机控制。

(1)SPI的主机模式

图3是MSP430的USART模块使用同步模式时，作为主机与另一SPI从机设备的连接。

图3 ：USART模块为主机

当控制寄存器中 MM=1 时，工作在主机模式。USART 模块通过在 UCLK 引脚上的 UCLK信号控制串行通信。在第一个UCLK周期，数据由SIMO引脚移出，并在相应的 UCLK 周期的中间，从SOMI 引脚锁存数据。每当移位寄存器为空，已写入发送缓存 UTXBUF的数据移入移位寄存器，并启动在 SIMO 引脚的数据发送，最髙有效位先发送。同时，接收到的数据移入移位寄存器。当移完所有选定位数时，接收移位寄存器中的数据移入接收缓存 URXBUF，并设置中断标志URXIFG，表明接收到一个数据。在接收过程中， 最先收到的数据为最高有效位，数据以右对齐的方式存入接收缓存器。如果这时前一数据未被读取，则溢出位OE=1。

用户程序可以使用接收中断标志和发送中断标志完成协议的控制。当数据从移位寄存器中发送给从机后，可立即用 UTXIFG 标志将数据从缓存中移入移位寄存器，开始一次发送操作。从机接收定时应能确保及时获取数据。URXIFG 标志指示数据移出移入完成。主机可利用URXIFG确定从机已经准备好接收新数据。

注意：UTXIFG标志不代表数据移入移出完成。

在使用4线通信时，由激活的主机 STE 信号防止与别的主机发生总线冲突。如果相应的PNSEL位选择模块功能，则 STE 引脚为输入线。主机在STE信号为高电平时正常工作。当STE信号被设置为低电平时，例如另一个设备申请成为主机，这时当前的主机应作出如下反应：

• SIMO 和 UCLK 引脚被强制为输入，不再驱动SPI总线；

• 出错标志位 FE 和 URCTL 中的中断标志位 URXIFG置位。

这样，总线冲突就被消除，即 SIMO 和 UCLK 两引脚（原主机）不再驱动总线线路， 同时用出错标志 FE 通知系统的完备性被破坏。与 STE 为低电平时 SIMO 和 UCLK 引脚被强制为输入；当 STE 返回高电平时，系统将返回到由相应控制位定义的状态。

在3线模式中，STE输入信号与控制无关。

(2)SPI中的从机模式

图4是MSP430的 USART 模块使用同步模式时，作为从机与另一设备的连接。

图4：USART模块作为从机

当选择同步模式且 MM=0时，则为从机模式。在从机模式下，通信用的串行时钟来源于外部主机，从机的 UCLK 引脚为输入状态。

数据传输速率由主机发出的串行时钟确定，而不由内部的波特率发生器决定。在开始 UCLK 之前，由 UTXBUF 装入移位寄存器中的数据在主机提供的 UCLK 信号作用下，通过从机的SOMI 引脚对外发送（给主机）。同时在 UCLK 时钟的反向沿 SIMO 引脚上的串行数据移入接收寄存器中。如果接收中断标志 URXIFG=1，则标志数据已经接收并装配到接收缓存器。当新数据写入接收缓存时前一个数据还没有被取出，则溢出标志被置位。

在使用4线同步通信时，STE信号被从机用作发送和接收允许信号，它由主机提供。

• STC=1 时，该从机禁止接收和发送：

• STE=0 时，该从机被允许接收和发送。

在已经启动的接收操作过程中，STE=1，则接收操作也将在中途被停止，直到STE=0。

(3)同步操作

主机通过发送 UCLK 信号用于初始化发送。主机在一个时钟跳变沿将数据移出发送移位寄存器，在另一个反向跳变沿移入接收寄存器。从机数据的移位操作与此相同，但用公共的移位寄存器接收和发送。主机与从机数据的发送和接收是同时进行的，因为使用的是不同的线路。

图5：同步串行数据通信

图5是7位字长串行同步数据发送的例子，接收移位寄存器的初始内容为00，那么会发生如下系列事件：

• A：从机写98H 到 DSR，并等待主机将数据移出。

• B：主机写0B0H 到 UTXBUF，它将立刻送往发送移位寄存器，且开始发送。

• C：完成第一个字符，中断标志置位。

• D：从机由它的接收缓存读出 58H（右对齐）。

• E：从机写54H 到 DSR，并等待主机将数据移出。

• F：主机与它的接收缓存 URXBUF读出 4CH（右对齐）。

• G：主机写0E8H 到发送缓存 UTXBUF，并开始发送。

• H：完成第二个字符，中断标志置位。

• I：主机收到2AH，从机收到 74H（右对齐）。

如果 USART为从机模式，则D事件后至G事件前不需要 UCLK。如果为主机模式，则内部需要两个时钟（内部产生，非UCLK）来终止发送和接收第一个字符，并准备下一个字符的发送和接收。

这些过程如图6所示（当为7位模式是，RXBUF 的 MSB 读出为0）。

图6：数据传输循环

3、同步通信寄存器

同步通信和异步通信寄存器资源一致，但具体寄存器的不同位之间存在差异，使用时不要搞混。

下面依次介绍各寄存器（用x表示0和1）：

3.1 UxCTL 控制寄存器

该寄存器的各位定义如下：

I²C 模式选择位。当SYNC=1时，选择SPI或者I²C模式。

• 0 SPI模式；

• 1 I²C模式。

CHAR 字符长度。选择字符以7位或8位发送。7位时不用发送或接收缓存的最高位，补0。

• 0 7位；

• 1 8位。

LISTEN 选择是否将发送数据由内部反馈给接收器。

• 0 无反馈；

• 1 有反馈，发送信号由内部反馈给接收器，自己发送的数据同时被自己接收, 通常被称为自闭环模式。

SYNC USART模块的模式选择。

• 0 UART模式；

• 1 SPI模式。

MM 主机模式或从机模式选择位。

• 0 从机模式；

• 1 主机模式。

SWRST 控制位。该位的状态影响着其他一些控制位和状态位的状态。在串行口的使用过程中，这一位是比较重要的控制位。一次正确的 USART 模块初始化应该是这样的顺序：先在SWRST=1的情况下设置串口；然后设置 SWRST=0；最后如果需要中断，则设置相应的中断使能。

3.2 UxTCTL 发送控制寄存器

各位定义如下：

CKPH 时钟相位控制位。

• 0 SPICLK 信号使用正常的 UCLK 时钟；

• 1 UCLK 时钟信号被延迟半个周期后用作 SPICLK 信号。

CKPL SPICLK信号时钟极性控制位。

• 0 时钟信号的低电乎为无效电平，数据在 UCLK 的上升沿输出，输入数据在 UCLK 的上升沿被锁存。

• 1 时钟信号的高电平为无效电平，数据在 UCLK 的下降沿输出，输入数据在 UCLK 的上升沿被锁存。

同步模式下，数据输入或输出与时钟信号的相位和极性之间的关系如图7所示。

图7：数据输入或输出与时钟信号的相位和极性之间的关系

SSEL1, SSEL0 时钟源选择位。这两位确定波特率发生器的时钟源。

• 0 外部时钟 UCLK (仅对从机模式有效）；

• 1 辅助时钟 ACLK (对主机模式有效）；

• 2,3 子系统主时钟 SMCLK (对主机模式有效）。

STC 从机发送控制位。

• 0 SPI的4线模式，STE 信号用于主机以避免总线冲突，或用于从机模式的控制发送或接收允许；

• 1 SPI的3线模式，此时 STE 引脚信号在主机、从机模式中不起作用。

TXTEPT 发送器空标志。从机模式没有用到。

• 0 有数据在发送或者发送缓冲器（UTXBUF）有数据；

• 1 发送移位寄存器和 UTXBUF 为空。

3.3 URCTL 接收控制寄存器

各位定义如下：

错误标志含义参见异步通信自动错误检测部分。

曾小庆：MSP430系列通用串行通信模块的异步模式zhuanlan.zhihu.com

FE 帧错误标志。

• 0 没有帧错误；

• 1 帧错误。

OE 溢出标志位。

• 0 无溢出；

• 1 有溢出。

3.4 UxBR0，UxBR1 波特率选择寄存器0和1

格式和含义同异步通信寄存器，同步通信最小的分频因子为2。

曾小庆：MSP430系列通用串行通信模块的异步模式zhuanlan.zhihu.com

3.5 UxMCTL 波特率调整控制寄存器

在同步通信时不需要调整寄存器，使用时最好全部写0。

3.6 URXBUF 接收数据缓存

接收缓存存放从接收移位寄存器最后接收到的字符，可由用户访问。读接收缓存可以复位接收时产生的各种错误标志、RXWAKE 位和 URXIFGx位。如果传输7位数据，接收缓存内容右对齐，最高位为0.

3.7 UTXBUF 发送数据缓存

发送缓存内容可以传送至发送移位寄存器，然后由UTXDx传输。对发送缓存进行写操作可以复位UTXIFGx。如果传输7位数据，发送缓存内容最高位为0.

4、同步操作应用举例

4.1 SPI三线从模式

以下程序是MSP430F148在MCLK=SMCLK=DCO~800KHz情况下以三线从模式与主机通信的例子。发送到主机的数据从0xFF开始逐渐递减，从主机收到的数据应该从0x00开始每逐次递增。在首次数据交换前，主机发起一个RST脉冲使从机复位。

• /***********main程序***********/

• #include

• char MST_Data = 0x00, SLV_Data = 0xFF;

• void main(void)

• {

• WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

• P3SEL = 0x0E; //P3用于SPI模式

• U0CTL = CHAR + SYNC +SWRST; //8位SPI，从模式

• U0TCTL = CKPL + STC; //时钟极性，UCLK，3线

• ME1 = USPIE0; //模块使能

• U0CTL &= ~SWRST; //接收中断使能

• IE1 |= URXIE0; //使能总中断

• _EINT();

• while(1)

• {

• TXBUF0 = SLV_Data; //准备第一个字符

• LPM4; //进入LPM4

• }

• }

• /***********中断程序***********/

• #pragma vector = USART0RX_VECTOR

• __interrupt void SPI0_rx (void)

• {

• while ((IFG1 & UTXIFG0) == 0); //USART0 发送数据准备好？

• if (U0RXBUF == MST_Data) //接收数据是否正确

• {

• SLV_Data = SLV_Data - 1; //输入数据递减

• MST_Data = MST_Data +1; //输入数据递增

• TXBUF0 = SLV_Data;

• }

• else

• TXBUF0 = SLV_ Data;

• }

• 其中：P3.1--数据输入（SIMO0）

• P3.2--数据输出（SOMI0）

• P3.3--时钟（UCLK）

4.2 SPI三线主模式

SPI主机与从机通过三线方式通信。主机发送从0开始递增的数据，接收到的数据应当从0xFF开始递减。USART0接收中断服务子程序用来处理LPM0状态时与CPU的通信。主机初始化从机，并等待一定时间以使SPI同步。P1.0指示收到了正确的数据。MCLK=SMCLK=DCO~800KHz

• /***********main程序***********/

• #include

• char MST_Data = 0x00, SLV_Data = 0xFF;

• void main(void)

• {

• unsigned int i;

• WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

• P1OUT = 0x00;

• P1DIR |= 0x01;

• P3SEL = 0x0E;

• P3OUT = 0x20;

• P3DIR |= 0x30;

• U0CTL = CHAR + SYNC +MM + SWRST;

• U0TCTL = CKPL + SSEL1 + STC;

• U0BR0 = 0x02;

• U0BR1 = 0x00;

• U0MCTL = 0x00;

• ME1 = USPIE0;

• U0CTL &= ~SWRST;

• IE1 |= URXIE0;

• _EINT();

• P3OUT &= ~0x20;

• P3OUT |= ~0x20;

• i = 50000;

• do (i--);

• while(i != 0);

• while(1)

• {

• TXBUF0 = MST_Data;

• LPM0;

• }

• }

• /***********中断程序***********/

• #pragma vector = USART0RX_VECTOR

• __interrupt void SPI0_rx (void)

• {

• P3OUT ^= 0x10;

• while ((IFG1 & UTXIFG0) == 0);

• if (U0RXBUF == SLV_Data)

• {

• SLV_Data = SLV_Data - 1;

• MST_Data = MST_Data +1;

• TXBUF0 = MST_Data;

• P1OUT |= 0x01;

• P1OUT &= ~0x01;

• }

• else

• {

• TXBUF0 = MST_ Data;

• P1OUT |= 0x01;

• }

• }

• 其中：P3.1--数据输出（SIMO0）

• P3.2--数据输入（SOMI0）

• P3.3--时钟（UCLK）

• 上位信号--P3.4

• 从RST--P3.5

• 显示--P1.0