spi協議時序圖和四種模式實際應用詳解

大家好，我是無際。

上個章節我們講解了spi接口定義，今天我們更加深入講解下spi協議時序圖和spi四種模式的用法。

剛開始接觸單片機開發時，最怕就是看時序圖，對于我來說就是奇怪的知識。

特別是SPI和IIC的，以前寫程序都直接復制別人程序，功能實現就行了也沒去研究過數據傳輸的時候時序具體是怎么樣的。

那個時候經驗也不足，網上搜的資料說的都太學術化了，也看不懂。

后面項目做多了，發現最常用到的通信總線無非就是SPI、IIC、USART、CAN、單口通信。

理解也慢慢深刻了，現在去分析時序圖也更加清晰了。

所以，我經常和無際單片機編程的學員灌輸一種理念，先學會用，用多了經驗豐富了再深入就輕松了。

不要在你沒經驗的時候去死磕，否則會付出很多不必要的時間成本。

下面，我們進入主題。

一、spi四種模式詳解

在講時序圖之前，我們先要了解spi的四種模式，不同的模式采集數據的方式不一樣。

一般內置SPI功能的單片機上，都有兩個寄存器配置位CPOL和CPHA。

我們拿STM32單片機來舉例，可以通過結構體成員配置。

這是通過固件庫直接配置，固件庫底層代碼也是去配置相應寄存器的。

下面來介紹下CPOL和CPHA到底有什么用。

CPOL就是決定SCLK這個時鐘信號線，在沒有數據傳輸的時候的電平狀態。

CPOL=0：空閑狀態時，SCLK保持低電平

CPOL=1：空閑狀態時，SCLK保持高電平

CPHA就是決定數據位傳輸是從第一個時鐘(SCLK)邊沿開始，還是第二個從二個時鐘(SCLK)邊沿開始。

CPHA=0：數據從第一個時鐘(SLCK)邊沿開始采集

CPHA=1：數據從第二個時鐘(SLCK)邊沿開始采集

Ok，理解CPOL和CPHA基本概念以后，下面這兩個要開始”合體”了。

CPOL和CPHA合體就形成了SPI四種模式。

聲明：部分圖片源自網絡，并非原創哈。

下面再分析下4種模式的區別，比較重要。

因為從機，從機指的是使用SPI協議通信的芯片，比如說w25q64(Flash)芯片，OLED屏等等。

很多從機沒有CPOL和CPHA寄存器設置位，如果你看它們數據手冊會一臉懵逼，根本找不到這兩個東西。

這些都是需要看他們時序圖去分析是用什么模式，如果模式不對，數據傳輸會有問題。

這也是為什么明明自己寫了時序用在這個芯片可以，換到別的spi通信的芯片就不行。

1.模式0(CPOL=0，CPHA=0)

模式0特性：

CPOL = 0：空閑時是低電平，第1個跳變沿是上升沿，第2個跳變沿是下降沿

CPHA = 0：數據在第1個跳變沿（上升沿）采樣

2.模式1(CPOL=0，CPHA=1)

模式1特性：

CPOL = 0：空閑時是低電平，第1個跳變沿是上升沿，第2個跳變沿是下降沿

CPHA = 1：數據在第2個跳變沿（下降沿）采樣

3.模式2(CPOL=1，CPHA=0)

CPOL = 1：空閑時是高電平，第1個跳變沿是下降沿，第2個跳變沿是上升沿

CPHA = 0：數據在第1個跳變沿（下降沿）采樣

4.模式3(CPOL=1，CPHA=1)

CPOL = 1：空閑時是高電平，第1個跳變沿是下降沿，第2個跳變沿是上升沿

CPHA = 1：數據在第2個跳變沿（上升沿）采樣

不知道你有沒有發現，不同的模式，其實就是SCLK空閑時間電平狀態和數據采樣起點不同

你學廢了嗎？當初我就是這幾種模式看得一臉懵逼。

如果不懂，先從開頭繼續看，這4種模式是后面分析整體時序圖的前提。

二、spi時序圖詳解

看到這里恭喜你，你馬上就能徹底攻破SPI協議了。

Spi時序圖，最好的方式就是通過實際應用去學習。

我們拿W25Q64這個Flash芯片舉例，這種芯片在SPI通信里都是作為從機的角色，也就SPI Slave。

一般由單片機或者其它處理器作為主控和它通信，SLCK時鐘也是由主控發出。

下面是W25Q64讀數據指令的時序圖，我們以這個例子來講解下時序圖要怎么看。

1.先確定芯片支持什么SPI哪種模式讀寫數據

確定了用哪種模式，主控，也就是單片機這邊才能確定數據采集的方式，主控和從機要保持一致。

從時序圖中，不難發現，W25Q64的數據手冊直接告訴你支持用SPI模式0和模式3來通信。

有些芯片的數據手冊，是沒有告訴你的，那怎么知道用芯片哪種模式？

第一步：通過時序圖分析CLK空閑時的電平狀態，通過上面那個時序圖，我們可以得知，高低電平都可以對吧？那我們現在先用CLK空閑時是低電平這種狀態繼續往下分析。

第二步：分析DI和DO是在CLK的上升沿還是下降沿采集數據，注意DI代表從機(W25Q64)的MISO引腳，DO代表從機(W25Q64)MOSI引腳。

我們主要通過DI和DO在數據有效區時CLK是上升沿還是下降沿，來判斷

什么是數據有效區？

大家看上面這張圖，我用紅色框起來的區域就是數據有效區。

一般數據是通過DI和DO兩個引腳傳輸的，所以數據有效區就是，這一時刻，這兩個引腳的只能是穩定高電平或者低電平。

相當于數據有效區的電平就是最終要傳輸的數據位，低電平代表0，高電平代表1。

傳輸8個位，代表1個字節的數據。

什么是無效數據區？

例如上圖藍色框的區域就是無效數據區，就是這個時刻CLK數據采集時鐘還沒來，所以DI和DO引腳的電平都可以任意變化。

理解了這兩個概念以后，我們重點需要關心是的DI和DO在數據有效區的時候，CLK是上升沿還是下降沿。

從上圖可以看出，DI和DO在數據有效區時，CLK是上升沿，下降沿的時候，DI和DO處于電平可任意變化的無效數據區。

這樣，就可以分析出模式了。

首先上升沿采集數據，通過排除法，這樣只有模式0和模式3符合條件。

然后就是CLK空閑時間要為低電平，這樣就只有模式0符合了。

所以，知道用模式0以后，單片機那邊寫程序就知道數據是從CLK上升沿讀取，或者發送，還是從下降沿了。

2.分析整體時序

分析時序，我們一定要先熟悉這個時序要實現什么功能，不同的功能雖然時序不一樣，但是發送數據的順序和定義不同。

我們現在分析的這個時序是從W25Q64這個Flash芯片讀取存儲的數據。

我把整個時序按CLK脈沖順序拆分成3個部分：

①讀指令

這里要注意的是，讀指令數據是在W25Q64的DI引腳產生的，DI相當于W25Q64的MISO，就是接收主控(一般是單片機)發送過來的數據。

所以，這個讀指令(0x03)是單片機發給W25Q64的。

0x03被拆分成8個Bit在DI線上傳輸，每個CLK上升沿傳輸1個Bit。

②24位地址

發完讀指令以后，單片機繼續發24位的內存地址，相當于要讀W25Q64哪個內存地址的數據。

這個數據是由單片機程序定的，所以不是固定的，大家可以看到數據位都是可以高電平，也可以是低電平。

③單片機接收數據

這個時候通信雙方的角色就變了，單片機變成了數據接收方，W25Q64變成了數據發送方。

因為數據從W25Q64的DO發出了，也就是W25Q64的MOSI引腳。

通過這個時序，單片機就可以讀到存儲在W25Q64指定地址的數據了。

如果你是我們無際單片機編程學員，看文章還不是很理解的話，可以跟我反饋，反饋的人多就直播講解，如果少就針對性一對一遠程電話講解。

三、單片機程序注意

51單片機一般沒有內置SPI模塊，所以整個時序需要自己寫程序去模擬，簡稱模擬SPI。

而STM32單片機一般有內置SPI，就不用自己寫程序去模擬時序，直接應用。

但是如果用內置SPI有一個細節，特別容易被忽略，就是你讀數據的時候，讀一個字節之前要先發一個字節任意值數據。

發一個字節任意值數據是為了在CLK總線上產生時鐘，給從機的SPI信號提供時鐘用的，從機SPI不會自己產生CLK信號的。

比如我下面這個讀數據函數：

能理解到這一步，你基本上就已經吃透SPI協議了。

不管從機怎么換，比如說不是W25Q24了，換成OLED屏了，時序原理也是一樣的，只是相關的指令和寄存器不同。