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本章节为大家讲解SPI(Serial peripheral interface)总线的基础知识和对应的HAL库API。
31.1 初学者重要提示
31.2 SPI总线基础知识
31.3 SPI总线的HAL库用法
31.4 源文件stm32f4xx_hal_spi.c
31.5 总结
认识一个外设,最好的方式就是看它的框图,方便我们快速的了解SPI的基本功能,然后再看手册了解细节。
通过这个框图,我们可以得到如下信息:
此引脚在主机模式下用于时钟输出,从机模式下用于时钟输入。
此引脚在从机模式下用于发送数据,主机模式下接收数据。
此引脚在从机模式下用于数据接收,主机模式下发送数据。
根据SPI和SS设置,此引脚可用于:
(1) 选择从器件进行通信。
(2) 允许多主模式(可以禁止NSS引脚输出)。
这个知识点在初学的时候容易忽视,所以我们这里整理下。
SPI1,SPI4,SPI5,SPI6在APB2总线,SPI2,SPI3在APB1总线。SPI的最高时钟由这些总线决定的。
STM32F429主频在168MHz下,SPI1,SPI4,SPI5,SPI6的最高时钟是84MHz,而SPI2和SPI3是42MHz。这里特别注意一点,SPI工作时最少选择二分频,也就是说SPI1,4,5,6实际通信时钟是42MHz,而SPI2,3是21MHz。
片选信号SS在单一的主从器件配置下是可选的,一般情况下可以不使用。
全双工通信(F4只有一个移位寄存器)
全双工就是主从器件之间同时互传数据,SPI总线的全双工模式接线方式如下:
关于这个接线图要认识到以下几点:
半双工通信
半双工就是同一个时刻只能为一个方向传输数据,SPI总线的半工模式接线方式如下:
关于这个接线图要认识到以下几点:
单工模式
单工就是只有一种通信方向,即发送或者接收,SPI总线的单工模式接线方式如下:
关于这个接线图要认识到以下几点:
SPI总线星型拓扑用到的地方比较多,V6开发板就是用的星型拓扑外接多种SPI器件:
关于这个接线图,有以下几点需要大家了解:
SPI总线主要有四种通信格式,由CPOL时钟极性和CPHA时钟相位控制:
四种通信格式如下:
SCK引脚在空闲状态处于高电平,SCK引脚的第2个边沿捕获传输的第1个数据。
SCK引脚在空闲状态处于低电平,SCK引脚的第2个边沿捕获传输的第1个数据。
SCK引脚在空闲状态处于高电平,SCK引脚的第1个边沿捕获传输的第1个数据。
SCK引脚在空闲状态处于低电平,SCK引脚的第1个边沿捕获传输的第1个数据。
SPI总线相关的寄存器是通过HAL库中的结构体SPI_TypeDef定义的,在stm32f429xx.h中可以找到这个类型定义:
typedef struct { __IO uint32_t CR1; /*!< SPI control register 1 (not used in I2S mode), Address offset: 0x00 */ __IO uint32_t CR2; /*!< SPI control register 2, Address offset: 0x04 */ __IO uint32_t SR; /*!< SPI status register, Address offset: 0x08 */ __IO uint32_t DR; /*!< SPI data register, Address offset: 0x0C */ __IO uint32_t CRCPR; /*!< SPI CRC polynomial register (not used in I2S mode), Address offset: 0x10 */ __IO uint32_t RXCRCR; /*!< SPI RX CRC register (not used in I2S mode), Address offset: 0x14 */ __IO uint32_t TXCRCR; /*!< SPI TX CRC register (not used in I2S mode), Address offset: 0x18 */ __IO uint32_t I2SCFGR; /*!< SPI_I2S configuration register, Address offset: 0x1C */ __IO uint32_t I2SPR; /*!< SPI_I2S prescaler register, Address offset: 0x20 */ } SPI_TypeDef;
这个结构体的成员名称和排列次序和CPU的寄存器是一 一对应的。
__IO表示volatile, 这是标准C语言中的一个修饰字,表示这个变量是非易失性的,编译器不要将其优化掉。core_m4.h 文件定义了这个宏:
#define __O volatile /*!< Defines ‘write only‘ permissions */ #define __IO volatile /*!< Defines ‘read / write‘ permissions */
下面我们看下SPI的定义,在stm32f429xx.h文件。
#define PERIPH_BASE 0x40000000UL #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00010000UL) #define SPI1_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x3000UL) #define SPI2_BASE (APB1PERIPH_BASE + 0x3800UL) #define SPI3_BASE (APB1PERIPH_BASE + 0x3C00UL) #define SPI4_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x3400UL) #define SPI5_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x5000UL) #define SPI6_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x5400UL) #define SPI1 ((SPI_TypeDef *) SPI1_BASE) #define SPI2 ((SPI_TypeDef *) SPI2_BASE) #define SPI3 ((SPI_TypeDef *) SPI3_BASE) #define SPI4 ((SPI_TypeDef *) SPI4_BASE) #define SPI5 ((SPI_TypeDef *) SPI5_BASE) #define SPI6 ((SPI_TypeDef *) SPI6_BASE) <----- 展开这个宏,(FLASH_TypeDef *)0x40015400
我们访问SPI的CR1寄存器可以采用这种形式:SPI->CR1 = 0。
下面是SPI总线的初始化结构体,用到的地方比较多:
typedef struct { uint32_t Mode; uint32_t Direction; uint32_t DataSize; uint32_t CLKPolarity; uint32_t CLKPhase; uint32_t NSS; uint32_t BaudRatePrescaler; uint32_t FirstBit; uint32_t TIMode; uint32_t CRCCalculation; uint32_t CRCPolynomial; } SPI_InitTypeDef;
下面将结构体成员逐一做个说明:
用于设置工作在主机模式还是从机模式。
#define SPI_MODE_SLAVE (0x00000000U) #define SPI_MODE_MASTER (SPI_CR1_MSTR | SPI_CR1_SSI)
用于设置SPI工作在全双工,单工,还是半双工模式。
#define SPI_DIRECTION_2LINES (0x00000000U) #define SPI_DIRECTION_2LINES_RXONLY SPI_CR1_RXONLY #define SPI_DIRECTION_1LINE SPI_CR1_BIDIMODE
用于设置SPI总线数据收发的位宽,支持8bit或者16bit。
#define SPI_DATASIZE_8BIT (0x00000000U) #define SPI_DATASIZE_16BIT SPI_CR1_DFF
用于设置空闲状态时,CLK是高电平还是低电平。
#define SPI_POLARITY_LOW (0x00000000U) #define SPI_POLARITY_HIGH SPI_CR1_CPOL
用于设置NSS信号由硬件NSS引脚管理或者软件SSI位管理。
#define SPI_NSS_SOFT SPI_CR1_SSM #define SPI_NSS_HARD_INPUT (0x00000000U) #define SPI_NSS_HARD_OUTPUT (SPI_CR2_SSOE << 16U)
用于设置SPI时钟分频,仅SPI工作在主控模式下起作用,对SPI从机模式不起作用。
#define SPI_BAUDRATEPRESCALER_2 (0x00000000U) #define SPI_BAUDRATEPRESCALER_4 (SPI_CR1_BR_0) #define SPI_BAUDRATEPRESCALER_8 (SPI_CR1_BR_1) #define SPI_BAUDRATEPRESCALER_16 (SPI_CR1_BR_1 | SPI_CR1_BR_0) #define SPI_BAUDRATEPRESCALER_32 (SPI_CR1_BR_2) #define SPI_BAUDRATEPRESCALER_64 (SPI_CR1_BR_2 | SPI_CR1_BR_0) #define SPI_BAUDRATEPRESCALER_128 (SPI_CR1_BR_2 | SPI_CR1_BR_1) #define SPI_BAUDRATEPRESCALER_256 (SPI_CR1_BR_2 | SPI_CR1_BR_1 | SPI_CR1_BR_0)
用于设置数据传输从最高bit开始还是从最低bit开始。
#define SPI_FIRSTBIT_MSB (0x00000000U) #define SPI_FIRSTBIT_LSB SPI_CR1_LSBFIRST
用于设置是否使能SPI总线的TI模式。
#define SPI_TIMODE_DISABLE (0x00000000U) #define SPI_TIMODE_ENABLE SPI_CR2_FRF
用于设置是否使能CRC计算。
#define SPI_CRCCALCULATION_DISABLE (0x00000000U) #define SPI_CRCCALCULATION_ENABLE SPI_CR1_CRCEN
用于设置CRC计算使用的多项式,必须是奇数,范围0到65535。
下面是SPI总线的初始化结构体,用到的地方比较多:
typedef struct __SPI_HandleTypeDef { SPI_TypeDef *Instance; SPI_InitTypeDef Init; uint8_t *pTxBuffPtr; uint16_t TxXferSize; __IO uint16_t TxXferCount; uint8_t *pRxBuffPtr; uint16_t RxXferSize; __IO uint16_t RxXferCount; void (*RxISR)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (*TxISR)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); DMA_HandleTypeDef *hdmatx; DMA_HandleTypeDef *hdmarx; HAL_LockTypeDef Lock; __IO HAL_SPI_StateTypeDef State; __IO uint32_t ErrorCode; #if (USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS == 1U) void (* TxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* RxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* TxRxCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* TxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* RxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* TxRxHalfCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* ErrorCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* AbortCpltCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* MspInitCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); void (* MspDeInitCallback)(struct __SPI_HandleTypeDef *hspi); #endif } SPI_HandleTypeDef;
注意事项:
条件编译USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS用来设置使用自定义回调还是使用默认回调,此定义一般放在stm32f4xx_hal_conf.h文件里面设置:
#define USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS 1
通过函数HAL_SPI_RegisterCallback注册回调,取消注册使用函数HAL_SPI_UnRegisterCallback。
这里重点介绍下面几个参数,其它参数主要是HAL库内部使用和自定义回调函数。
这个参数是寄存器的例化,方便操作寄存器,比如使能SPI1。
SET_BIT(SPI1 ->CR1, SPI_CR1_SPE)。
这个参数是用户接触最多的,在本章节3.2小节已经进行了详细说明。
用于SPI句柄关联DMA句柄,方便操作调用。
此文件涉及到的函数较多,这里把几个常用的函数做个说明:
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_Init(SPI_HandleTypeDef *hspi) { /* 检测句柄是否有效 */ if (hspi == NULL) { return HAL_ERROR; } /* 检查参数 */ assert_param(IS_SPI_ALL_INSTANCE(hspi->Instance)); assert_param(IS_SPI_MODE(hspi->Init.Mode)); assert_param(IS_SPI_DIRECTION(hspi->Init.Direction)); assert_param(IS_SPI_DATASIZE(hspi->Init.DataSize)); assert_param(IS_SPI_NSS(hspi->Init.NSS)); assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(hspi->Init.BaudRatePrescaler)); assert_param(IS_SPI_FIRST_BIT(hspi->Init.FirstBit)); assert_param(IS_SPI_TIMODE(hspi->Init.TIMode)); if (hspi->Init.TIMode == SPI_TIMODE_DISABLE) { assert_param(IS_SPI_CPOL(hspi->Init.CLKPolarity)); assert_param(IS_SPI_CPHA(hspi->Init.CLKPhase)); } #if (USE_SPI_CRC != 0U) assert_param(IS_SPI_CRC_CALCULATION(hspi->Init.CRCCalculation)); if (hspi->Init.CRCCalculation == SPI_CRCCALCULATION_ENABLE) { assert_param(IS_SPI_CRC_POLYNOMIAL(hspi->Init.CRCPolynomial)); } #else hspi->Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; #endif if (hspi->State == HAL_SPI_STATE_RESET) { /* 解锁 */ hspi->Lock = HAL_UNLOCKED; #if (USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS == 1U) /* 自定义回调函数 */ hspi->TxCpltCallback = HAL_SPI_TxCpltCallback; /* Legacy weak TxCpltCallback */ hspi->RxCpltCallback = HAL_SPI_RxCpltCallback; /* Legacy weak RxCpltCallback */ hspi->TxRxCpltCallback = HAL_SPI_TxRxCpltCallback; /* Legacy weak TxRxCpltCallback */ hspi->TxHalfCpltCallback = HAL_SPI_TxHalfCpltCallback; /* Legacy weak TxHalfCpltCallback */ hspi->RxHalfCpltCallback = HAL_SPI_RxHalfCpltCallback; /* Legacy weak RxHalfCpltCallback */ hspi->TxRxHalfCpltCallback = HAL_SPI_TxRxHalfCpltCallback; /* Legacy weak TxRxHalfCpltCallback */ hspi->ErrorCallback = HAL_SPI_ErrorCallback; /* Legacy weak ErrorCallback */ hspi->AbortCpltCallback = HAL_SPI_AbortCpltCallback; /* Legacy weak AbortCpltCallback */ if (hspi->MspInitCallback == NULL) { hspi->MspInitCallback = HAL_SPI_MspInit; /* Legacy weak MspInit */ } /* 初始化底层硬件: GPIO, CLOCK, NVIC... */ hspi->MspInitCallback(hspi); #else /* 初始化底层硬件: GPIO, CLOCK, NVIC... */ HAL_SPI_MspInit(hspi); #endif } hspi->State = HAL_SPI_STATE_BUSY; /* 关闭SPI外设 */ __HAL_SPI_DISABLE(hspi); /*----------------------- SPIx CR1 & CR2 配置 ---------------------*/ /* 配置的各种SPI参数 */ WRITE_REG(hspi->Instance->CR1, (hspi->Init.Mode | hspi->Init.Direction | hspi->Init.DataSize | hspi->Init.CLKPolarity | hspi->Init.CLKPhase | (hspi->Init.NSS & SPI_CR1_SSM) |hspi->Init.BaudRatePrescaler | hspi->Init.FirstBit | hspi->Init.CRCCalculation)); /* 配置NSS和TI模式位 */ WRITE_REG(hspi->Instance->CR2, (((hspi->Init.NSS >> 16U) & SPI_CR2_SSOE) | hspi->Init.TIMode)); #if (USE_SPI_CRC != 0U) /*---------------------------- SPIx CRCPOLY 配置 ------------------*/ /* 配置 : CRC 多项式 */ if (hspi->Init.CRCCalculation == SPI_CRCCALCULATION_ENABLE) { WRITE_REG(hspi->Instance->CRCPR, hspi->Init.CRCPolynomial); } #endif #if defined(SPI_I2SCFGR_I2SMOD) CLEAR_BIT(hspi->Instance->I2SCFGR, SPI_I2SCFGR_I2SMOD); #endif hspi->ErrorCode = HAL_SPI_ERROR_NONE; hspi->State = HAL_SPI_STATE_READY; return HAL_OK; }
函数描述:
此函数用于初始化SPI。
函数参数:
注意事项:
对于局部变量来说,这个参数就是一个随机值,如果是全局变量还好,一般MDK和IAR都会将全部变量初始化为0,而恰好这个 HAL_SPI_STATE_RESET = 0x00U。
解决办法有三
方法1:用户自己初始串口和涉及到的GPIO等。
方法2:定义SPI_HandleTypeDef SpiHandle为全局变量。
方法3:下面的方法
if(HAL_SPI_DeInit(&SpiHandle) != HAL_OK) { Error_Handler(); } if(HAL_SPI_Init(&SpiHandle) != HAL_OK) { Error_Handler(); }
使用举例:
SPI_HandleTypeDef hspi = {0}; /* 设置SPI参数 */ hspi.Instance = SPIx; /* 例化SPI */ hspi.Init.BaudRatePrescaler = _BaudRatePrescaler; /* 设置波特率 */ hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; /* 全双工 */ hspi.Init.CLKPhase = _CLKPhase; /* 配置时钟相位 */ hspi.Init.CLKPolarity = _CLKPolarity; /* 配置时钟极性 */ hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; /* 设置数据宽度 */ hspi.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; /* 数据传输先传高位 */ hspi.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE; /* 禁止TI模式 */ hspi.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE; /* 禁止CRC */ hspi.Init.CRCPolynomial = 7; /* 禁止CRC后,此位无效 */ hspi.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; /* 使用软件方式管理片选引脚 */ hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; /* SPI工作在主控模式 */ /* 初始化SPI */ if (HAL_SPI_Init(&hspi) != HAL_OK) { Error_Handler(__FILE__, __LINE__); }
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_DeInit(SPI_HandleTypeDef *hspi) { /* 判断SPI句柄 */ if (hspi == NULL) { return HAL_ERROR; } /* 检查参数 */ assert_param(IS_SPI_ALL_INSTANCE(hspi->Instance)); hspi->State = HAL_SPI_STATE_BUSY; /* 关闭SPI外设时钟 */ __HAL_SPI_DISABLE(hspi); #if (USE_HAL_SPI_REGISTER_CALLBACKS == 1U) if (hspi->MspDeInitCallback == NULL) { hspi->MspDeInitCallback = HAL_SPI_MspDeInit; /* Legacy weak MspDeInit */ } /* 复位底层硬件: GPIO, CLOCK, NVIC... */ hspi->MspDeInitCallback(hspi); #else /* 复位底层硬件: GPIO, CLOCK, NVIC... */ HAL_SPI_MspDeInit(hspi); #endif hspi->ErrorCode = HAL_SPI_ERROR_NONE; hspi->State = HAL_SPI_STATE_RESET; /* 解锁 */ __HAL_UNLOCK(hspi); return HAL_OK; }
函数描述:
用于复位SPI总线初始化。
函数参数:
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size,uint32_t Timeout) { /* 省略未写 */ /* 16bit数据传输 */ if (hspi->Init.DataSize == SPI_DATASIZE_16BIT) { /* 省略未写 */ } /* 8bit数据传输 */ else { /* 省略未写 */ } /* 省略未写 */ }
函数描述:
此函数主要用于SPI数据收发,全双工查询方式。
函数参数:
使用举例:
SPI_HandleTypeDef hspi = {0}; if(HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi, (uint8_t*)g_spiTxBuf, (uint8_t *)g_spiRxBuf, g_spiLen, 1000000) != HAL_OK) { Error_Handler(__FILE__, __LINE__); }
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_IT(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size) { /* 省略未写 */ /* 设置传输参数 */ hspi->ErrorCode = HAL_SPI_ERROR_NONE; hspi->pTxBuffPtr = (uint8_t *)pTxData; hspi->TxXferSize = Size; hspi->TxXferCount = Size; hspi->pRxBuffPtr = (uint8_t *)pRxData; hspi->RxXferSize = Size; hspi->RxXferCount = Size; /* 设置中断处理 */ if (hspi->Init.DataSize > SPI_DATASIZE_8BIT) { hspi->RxISR = SPI_2linesRxISR_16BIT; hspi->TxISR = SPI_2linesTxISR_16BIT; } else { hspi->RxISR = SPI_2linesRxISR_8BIT; hspi->TxISR = SPI_2linesTxISR_8BIT; } #if (USE_SPI_CRC != 0U) /* 复位CRC计算 */ if (hspi->Init.CRCCalculation == SPI_CRCCALCULATION_ENABLE) { SPI_RESET_CRC(hspi); } #endif /* 使能TXE, RXNE 和 ERR 中断 */ __HAL_SPI_ENABLE_IT(hspi, (SPI_IT_TXE | SPI_IT_RXNE | SPI_IT_ERR)); /* 检测SPI是否已经使能 */ if ((hspi->Instance->CR1 & SPI_CR1_SPE) != SPI_CR1_SPE) { /* 使能SPI外设 */ __HAL_SPI_ENABLE(hspi); } error : /* 解锁 */ __HAL_UNLOCK(hspi); return errorcode; }
函数描述:
此函数主要用于SPI数据收发,全双工中断方式。
函数参数:
使用举例:
SPI_HandleTypeDef hspi = {0}; if(HAL_SPI_TransmitReceive_IT(&hspi, (uint8_t*)g_spiTxBuf, (uint8_t *)g_spiRxBuf, g_spiLen) != HAL_OK) { Error_Handler(__FILE__, __LINE__); }
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t *pTxData, uint8_t *pRxData, uint16_t Size) { /* 省略未写 */ /* 使能RX DMA */ if (HAL_OK != HAL_DMA_Start_IT(hspi->hdmarx, (uint32_t)&hspi->Instance->DR, (uint32_t)hspi->pRxBuffPtr, hspi->RxXferCount)) { } /* 使能RX DMA */ if (HAL_OK != HAL_DMA_Start_IT(hspi->hdmatx, (uint32_t)hspi->pTxBuffPtr, (uint32_t)&hspi->Instance->DR, hspi->TxXferCount)) { } /* 省略未写 */ }
函数描述:
此函数主要用于SPI数据收发,全双工DMA方式。
函数参数:
使用举例:
SPI_HandleTypeDef hspi = {0}; if(HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi, (uint8_t*)g_spiTxBuf, (uint8_t *)g_spiRxBuf, g_spiLen) != HAL_OK) { Error_Handler(__FILE__, __LINE__); }
本章节就为大家讲解这么多,要熟练掌握SPI总线的查询,中断和DMA方式的实现,因为基于SPI接口的外设芯片很多,熟练后,可以方便的驱动各种SPI接口芯片,以便选择合适的驱动方式。
【STM32F429开发板用户手册】第31章 STM32F429的SPI总线基础知识和HAL库API
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原文地址:https://www.cnblogs.com/armfly/p/13376167.html