SPI协议详解（以ADS1118为例）

最近要写一个协议，所以再复习一次SPI。（存草稿太久了，再不发就忘了）

一开始先分析了SPI的协议特点，使用ADS1118这个器件作为承载物进行分析，后面用逻辑分析仪从位到字节进行解码，最后使用TI给的demo移植到STM32平台。

SPI是一个环形总线结构，由ss(cs)、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。

上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。

上升沿到来的时候，sdo上的电平将被发送到从设备的寄存器中。

下降沿到来的时候，sdi上的电平将被接收到主设备的寄存器中。 各家的名字可能不一样，反正你就看传输方向就行。

这个是时序图，因为是双向的传输，在主机发给从机这段时间，从机也是发数据的，但是相当于乱发无意义的：

另外：密封的菱形部分，注意要密封，表示数据有效，Valid Data这个词也显示了这点。

关于时间的标注，这也是个十分重要的信息，这些时间的标注表明了某些状态所要维持的最短或最长时间。

因为器件的工作速度也是有限的，一般都跟不上主控芯片的速度，所以它们直接之间要有时序配合。

外部12MHz晶振，指令周期就是一个时钟周期为（1/12MHz）us，所以至少确定了它执行一条指令的时间是us级别的。我们看到，以上给的时间参数全部是ns级别的，所以即便我们在程序里不加延时程序

10的-3次方

时序时间

专有的时钟引脚上面是有施密特输入的

这个名字好，DIN，然后数据锁存在下降沿上：

GPIO开启了引脚的弱上拉电阻：

上升沿移出，下降沿准备：

这个是输出的一个时钟周期

这个样子的意思是，数据有高有低，靠后的线是数据输出，前面是数据准备。或者是被锁定

不确定是不是所有的这样。和上面的分析差不多

看一个连续输出

在时序上面

给MCU的数据中，一个大的时钟周期由32个小周期组成，两个字节来说明转换的结果，也就是本身的数据，MSB在前。后面两个是寄存器的回读，这里我理解是把输出的控制命令又回流一次。

2^16，两个16位

DIN是MCU给器件的信息，MSB+LSB发一次，剩下二分之一如果你不变化，就可以让这个DIN的引脚在后一个周期里面一直低或者高都可以。

你看嘛，就是这样

还有16为输出模式，可以交替的拉低CS来输出

这个是输出16位值的寄存器的样子，0~15，上面每一位都是一个0或者1，一次16位。

这个是配置的寄存器，从0开始写，一直配好到15，组成一个16位的序列，发送。

数据手册里面的写法是倒着来，先15，说这个寄存器的位置在15，名字叫SS，可以读可以写，重启之后是0h，描述是断电的时候设置一次，在转换过程中换不了。

这个是3位，8种情况，对应个个采集方式：

如果对地的话，那就是差分

增益放大器：

速率：

连续还是单发：

默认是单发

找了找就这个图出现的次数最多。

OK

扩展SPI还增加了SDR（Single Data Rate）和DDR（Double Data Rate）两种模式。在标准SPI 协议的SDR 模式下，只在SCK 的单边沿进行数据传输，即一个SCK 时钟只传输一位数据；而在DDR 模式下，会在SCK 的上升沿和下降沿都进行数据传输，即一个SCK 时钟能传输两位数据，传输速率提高一倍。

就是这样

没问题，可以看到时序图内在CLK的上下沿，数据线上的电平确实是稳定的，可以读取。

1. 2-bit Dual SPI模式

2-bit Dual SPI模式，也称为Dual SPI模式，是标准SPI的一个变体，它使用两条数据线（通常是MOSI和MISO）同时传输数据。在此模式下，数据在时钟信号的上升沿和下降沿同时被发送和接收，使得数据吞吐量相比单线SPI翻倍。

它只是针对SPI Flash而言，不是针对所有SPI外设。对于SPI Flash，全双工并不常用，因此扩展了mosi和miso的用法，让它们工作在半双工，用以加倍数据传输。也 就是对于Dual SPI Flash，可以发送一个命令字节进入dual mode，这样mosi变成SIO0（serial io 0），mosi变成SIO1（serial io 1）,这样一个时钟周期内就能传输2个bit数据，加倍了数据传输。

数据线：使用MOSI和MISO同时传输数据。

数据速率：相比于标准SPI，数据传输速率翻倍，因为它同时使用两条线传输数据。

使用场景：适用于需要比标准SPI更高数据传输率但又不需要四线Quad SPI的场景。

2. DDR SPI模式

DDR SPI（双数据率SPI）模式在每个时钟周期的上升沿和下降沿都进行数据传输。这意味着在每个时钟脉冲上，都可以发送或接收数据，从而有效地加倍了数据传输速率。这种模式通常用于高速数据采集系统中。

数据线：通常使用一条或多条数据线，但每个时钟周期传输两次数据。

数据速率：数据速率是标准SPI的两倍，因为它在时钟的上升沿和下降沿都传输数据。

使用场景：适合高性能需求的应用，如高速数据采集或高分辨率视频传输。

区别 数据传输方式：Dual SPI利用两条数据线在时钟的每个边沿传输数据；而DDR SPI可能只使用一条数据线，但在每个时钟的上升沿和下降沿都传输数据。

复杂性：DDR SPI通常在实现上更复杂，因为它要求在时钟的每个边缘精确控制数据的采样和输出，这对时钟同步提出了更高的要求。

效率：尽管两者都提高了数据传输速率，但在具体实现和系统兼容性方面，它们各有优势和局限。

如果你的设计对时钟同步的要求极高，可能会更倾向于使用Dual SPI而不是DDR SPI，因为后者需要更精确的控制和可能导致的时钟偏差问题。

相反，如果需要极高的数据传输效率，DDR SPI可能是更好的选择。

HI-Z是什么？

补充：

Hi-Z是数字电路常见术语，指的是电路的一种输出状态，既不是高电平也不是低电平，如果高阻态再输入下一级电路的话，对下级电路无任何影响，和没接一样，如果用万用表测的话有可能是高电平也有可能是低电平，随它后面接的东西定。高阻态: 高阻态的实质电路分析时高阻态可做开路理解。

模式1：

上升沿改变，下降沿读取。

手边还有一个ESP32-C3的单片机，这个是它的数据手册，有三个SPI，或者是一个SPI配六个CS线。

外部焊盘，通过MUX，多路转换到接口上面，可以走DMA或者Cache到CPU，等等，之后再说。

这个就更专业啦

SPI 主机驱动允许总线上连接多个设备（共享单个 ESP32-C3 SPI 外设）。每个设备仅由一个任务访问时，驱动程序线程安全。反之，若多个任务尝试访问同一 SPI 设备，则驱动程序 非线程安全。

所有的SPI协议都可以分成这样的步骤。

当传输事务数据等于或小于 32 位时，为数据分配一个缓冲区将是次优的选择。

SPI 主机逐字节地将数据读入和写入内存。默认情况下，数据优先以最高有效位 (MSB) 发送，极少数情况下会优先使用最低有效位 (LSB)。如果需要发送一个小于 8 位的值，这些位应以 MSB 优先的方式写入内存。

例如，如果需要发送 0b00010，则应将其写成 uint8_t 变量，读取长度设置为 5 位。此时，设备仍然会收到 8 位数据，并另有 3 个“随机”位，所以读取过程必须准确。

传输速度主要有以下三个限制因素：

传输事务间隔时间

SPI 时钟频率

缓存缺失的 SPI 函数，包括回调

影响大传输事务传输速度的主要参数是时钟频率。而多个小传输事务的传输速度主要由传输事务间隔时长决定。

在捕捉的时候可以对 SPI 进行详细设置

三个解码层级的设置

这里的解码有几个层级，首先是bit级别，就是0，1，接着是转换，就是0,1拼成别的进制数据。还有就是转换成数据。

全是0

16进制的我喜欢使用

可以看到是一个不断分组，组装的过程

先看一个时钟的变化

有八个上升沿，也就是8个0，也就是下面的00.是转换的层级，8个字节是一位-00.

下面就是两个字节变成了一word-16bit

第二个字节

大概就是这样的解码啦

这就是解码出来的第一个数据

前面是bit位，下一个是字节位，下一个是word位

按照16字节来解码

因为可以自由的传输任意的字节数据，也可以在这里自己定义这个事情

这里就开始移植，看这个TI的意思是随便整，推荐自己实现SPI的接口：

下载最后一个

这里先说一下头文件如何加

我们的工作是要在代码里面实现STM32的SPI接口移植，然后在线测量所有的参数来更加详细的学习SPI。

先看懂给的代码，明白要干啥：

这些是TI的库

NSS管脚及我们熟知的片选信号，作为主设备NSS管脚为高电平，从设备NSS管脚为低电平。

当NSS管脚为低电平时，该spi设备被选中，可以和主设备进行通信。在stm32中，每个spi控制器的NSS信号引脚都具有两种功能，即输入和输出。所谓的输入就是NSS管脚的信号给自己。所谓的输出就是将NSS的信号送出去，给从机。

对于NSS的输入，又分为软件输入和硬件输入。

软件输入： NSS分为内部管脚和外部管脚，通过设置spi_cr1寄存器的ssm位和ssi位都为1可以设置NSS管脚为软件输入模式且内部管脚提供的电平为高电平，其中SSM位为使能软件输入位。SSI位为设置内部管脚电平位。同理通过设置SSM和SSI位1和0则此时的NSS管脚为软件输入模式但内部管脚提供的电平为0。若从设备是一个其他的带有spi接口的芯片，并不能选择NSS管脚的方式，则可以有两种办法，一种是将NSS管脚直接接低电平。另一种就是通过主设备的任何一个gpio口去输出低电平选中从设备。

硬件输入： 主机接高电平，从机接低电平。

这样

cs 自己换普通gpio，好像是自动的引脚有些问题

外部晶振为8MHz

1选择外部时钟HSE 8MHz

2PLL锁相环倍频9倍

3系统时钟来源选择为PLL

4设置APB1分频器为 /2

5 使能CSS监视时钟

后来我找到了中文的数据手册

这个地方 4 种模式选择

打开窗口

打开中断

编译 Ok

这个是TI硬件层的所有东西，一会儿就重写

ti 的板子我用的少

中断状态

开启中断

开启中断引脚

下降边沿触发中断

这个有用

因为STM32的SPI中断和TI的中断对不上，下面就看HAL的API：

SPI的中断有这些

所有的函数

中断

在main里面的文件

我要做的工作是在HAL文件里面构建STM32 SPI的硬件重构

需要实现的是ms和us的延时，CS的控制和收发功能

SPI函数

这里是延时和CS的实现

ADS1118的内部就可以不用管了。别看写的简单，debug也很耗时。

编译无错误，移植完成

可以看看ADS1118的定位

 

https://www.stmcu.com.cn/Designresource/detail/software/711298

 

术语表：

Standard SPI: CLK, /CS, DI, DO, /WP, /Hold Dual SPI: CLK, /CS, IO0, IO1, /WP, /Hold Quad SPI: CLK, /CS, IO0, IO1, IO2, IO3 SIO0（serial io 0）

接口说明

CLK(Serial Clock):时钟线

/CS(Chip Select):片选接口

DI(Serial Data Input):数据输入端口

DO(Serial Data Output):输出输出端口

 

 

审核编辑：刘清