2022年12月16日 | spi协议时序图和四种模式实际应用详解

上个章节我们讲解了spi接口定义，今天我们更加深入讲解下spi协议时序图和spi四种模式的用法。

刚开始接触单片机开发时，最怕就是看时序图，对于我来说就是奇怪的知识。

特别是SPI和IIC的，以前写程序都直接复制别人程序，功能实现就行了也没去研究过数据传输的时候时序具体是怎么样的。

那个时候经验也不足，网上搜的资料说的都太学术化了，也看不懂。

后面项目做多了，发现最常用到的通信总线无非就是SPI、IIC、USART、CAN、单口通信。

理解也慢慢深刻了，现在去分析时序图也更加清晰了。

所以，我经常和无际单片机编程的学员灌输一种理念，先学会用，用多了经验丰富了再深入就轻松了。

不要在你没经验的时候去死磕，否则会付出很多不必要的时间成本。

下面，我们进入主题。

一、spi四种模式详解

在讲时序图之前，我们先要了解spi的四种模式，不同的模式采集数据的方式不一样。

一般内置SPI功能的单片机上，都有两个寄存器配置位CPOL和CPHA。

我们拿STM32单片机来举例，可以通过结构体成员配置。

这是通过固件库直接配置，固件库底层代码也是去配置相应寄存器的。

下面来介绍下CPOL和CPHA到底有什么用。

CPOL就是决定SCLK这个时钟信号线，在没有数据传输的时候的电平状态。

CPOL=0：空闲状态时，SCLK保持低电平

CPOL=1：空闲状态时，SCLK保持高电平

CPHA就是决定数据位传输是从第一个时钟(SCLK)边沿开始，还是第二个从二个时钟(SCLK)边沿开始。

CPHA=0：数据从第一个时钟(SLCK)边沿开始采集

CPHA=1：数据从第二个时钟(SLCK)边沿开始采集

Ok，理解CPOL和CPHA基本概念以后，下面这两个要开始”合体”了。

CPOL和CPHA合体就形成了SPI四种模式。

声明：部分图片源自网络，并非原创哈。

下面再分析下4种模式的区别，比较重要。

因为从机，从机指的是使用SPI协议通信的芯片，比如说w25q64(Flash)芯片，OLED屏等等。

很多从机没有CPOL和CPHA寄存器设置位，如果你看它们数据手册会一脸懵逼，根本找不到这两个东西。

这些都是需要看他们时序图去分析是用什么模式，如果模式不对，数据传输会有问题。

这也是为什么明明自己写了时序用在这个芯片可以，换到别的spi通信的芯片就不行。

1.模式0(CPOL=0，CPHA=0)

模式0特性：

CPOL = 0：空闲时是低电平，第1个跳变沿是上升沿，第2个跳变沿是下降沿

CPHA = 0：数据在第1个跳变沿（上升沿）采样

2.模式1(CPOL=0，CPHA=1)

模式1特性：

CPOL = 0：空闲时是低电平，第1个跳变沿是上升沿，第2个跳变沿是下降沿

CPHA = 1：数据在第2个跳变沿（下降沿）采样

3.模式2(CPOL=1，CPHA=0)

CPOL = 1：空闲时是高电平，第1个跳变沿是下降沿，第2个跳变沿是上升沿

CPHA = 0：数据在第1个跳变沿（下降沿）采样

4.模式3(CPOL=1，CPHA=1)

CPOL = 1：空闲时是高电平，第1个跳变沿是下降沿，第2个跳变沿是上升沿

CPHA = 1：数据在第2个跳变沿（上升沿）采样

不知道你有没有发现，不同的模式，其实就是SCLK空闲时间电平状态和数据采样起点不同

你学废了吗？当初我就是这几种模式看得一脸懵逼。

如果不懂，先从开头继续看，这4种模式是后面分析整体时序图的前提。

二、spi时序图详解

看到这里恭喜你，你马上就能彻底攻破SPI协议了。

Spi时序图，最好的方式就是通过实际应用去学习。

我们拿W25Q64这个Flash芯片举例，这种芯片在SPI通信里都是作为从机的角色，也就SPI Slave。

一般由单片机或者其它处理器作为主控和它通信，SLCK时钟也是由主控发出。

下面是W25Q64读数据指令的时序图，我们以这个例子来讲解下时序图要怎么看。

1.先确定芯片支持什么SPI哪种模式读写数据

确定了用哪种模式，主控，也就是单片机这边才能确定数据采集的方式，主控和从机要保持一致。

从时序图中，不难发现，W25Q64的数据手册直接告诉你支持用SPI模式0和模式3来通信。

有些芯片的数据手册，是没有告诉你的，那怎么知道用芯片哪种模式？

第一步：通过时序图分析CLK空闲时的电平状态，通过上面那个时序图，我们可以得知，高低电平都可以对吧？那我们现在先用CLK空闲时是低电平这种状态继续往下分析。

第二步：分析DI和DO是在CLK的上升沿还是下降沿采集数据，注意DI代表从机(W25Q64)的MISO引脚，DO代表从机(W25Q64)MOSI引脚。

我们主要通过DI和DO在数据有效区时CLK是上升沿还是下降沿，来判断

什么是数据有效区？

大家看上面这张图，我用红色框起来的区域就是数据有效区。

一般数据是通过DI和DO两个引脚传输的，所以数据有效区就是，这一时刻，这两个引脚的只能是稳定高电平或者低电平。

相当于数据有效区的电平就是最终要传输的数据位，低电平代表0，高电平代表1。

传输8个位，代表1个字节的数据。

什么是无效数据区？

例如上图蓝色框的区域就是无效数据区，就是这个时刻CLK数据采集时钟还没来，所以DI和DO引脚的电平都可以任意变化。

理解了这两个概念以后，我们重点需要关心是的DI和DO在数据有效区的时候，CLK是上升沿还是下降沿。

从上图可以看出，DI和DO在数据有效区时，CLK是上升沿，下降沿的时候，DI和DO处于电平可任意变化的无效数据区。

这样，就可以分析出模式了。

首先上升沿采集数据，通过排除法，这样只有模式0和模式3符合条件。

然后就是CLK空闲时间要为低电平，这样就只有模式0符合了。

所以，知道用模式0以后，单片机那边写程序就知道数据是从CLK上升沿读取，或者发送，还是从下降沿了。

2.分析整体时序

分析时序，我们一定要先熟悉这个时序要实现什么功能，不同的功能虽然时序不一样，但是发送数据的顺序和定义不同。

我们现在分析的这个时序是从W25Q64这个Flash芯片读取存储的数据。

我把整个时序按CLK脉冲顺序拆分成3个部分：

①读指令

这里要注意的是，读指令数据是在W25Q64的DI引脚产生的，DI相当于W25Q64的MISO，就是接收主控(一般是单片机)发送过来的数据。

所以，这个读指令(0x03)是单片机发给W25Q64的。

0x03被拆分成8个Bit在DI线上传输，每个CLK上升沿传输1个Bit。

②24位地址

发完读指令以后，单片机继续发24位的内存地址，相当于要读W25Q64哪个内存地址的数据。

这个数据是由单片机程序定的，所以不是固定的，大家可以看到数据位都是可以高电平，也可以是低电平。

③单片机接收数据

这个时候通信双方的角色就变了，单片机变成了数据接收方，W25Q64变成了数据发送方。

因为数据从W25Q64的DO发出了，也就是W25Q64的MOSI引脚。

通过这个时序，单片机就可以读到存储在W25Q64指定地址的数据了。

如果你是我们无际单片机编程学员，看文章还不是很理解的话，可以跟我反馈，反馈的人多就直播讲解，如果少就针对性一对一远程电话讲解。

三、单片机程序注意

51单片机一般没有内置SPI模块，所以整个时序需要自己写程序去模拟，简称模拟SPI。

而STM32单片机一般有内置SPI，就不用自己写程序去模拟时序，直接应用。

但是如果用内置SPI有一个细节，特别容易被忽略，就是你读数据的时候，读一个字节之前要先发一个字节任意值数据。

发一个字节任意值数据是为了在CLK总线上产生时钟，给从机的SPI信号提供时钟用的，从机SPI不会自己产生CLK信号的。

比如我下面这个读数据函数：

能理解到这一步，你基本上就已经吃透SPI协议了。

不管从机怎么换，比如说不是W25Q24了，换成OLED屏了，时序原理也是一样的，只是相关的指令和寄存器不同。