SPI概述

SPI（Serial Peripheral Interface,串行外设接口）协议是一种全双工通信协议，SPI最主要的特点是：

  • 一主多从：即一个主设备（主机）同时和多个串行设备（从机）通信；

  • 同步全双工：具有时钟线作为同步信号，主机和从机需要共地，如果从机没有独立供电还需要主机提供供电口；能够同时发送和接收数据；

  • 简单且高速：SPI的时序简单，因为线多端口多没有电平瓶颈（每新加一个从机主机就要增加一个SS端口进行片选，例如三个从机就要三个主机SS端口），主机输出配置成推挽输出，输入（MISO）配置成浮空或者上拉输入，电平驱动能力强；通信速率极高（几十Mbps）；

  • 四根通信线，接口开销大：SCK（Serial Clock）、MOSI、MISO、SS（Slave Select），其中MOSI、MISO其中的M代表主机Master，S代表从机Slave，分布代表主机发从机收，主机收从机发，MISO就接在从机的MISO上，MOSI就接在从机的MOSI上（一般命名上，从机作为没有主控的设备，MISO会命名成输出端，如DO、SDO等，MOSI会命名成DI、SDI等，片选则为CS）；

SPI应用的外设主要有：TFT SPI屏幕、SD存储卡、2.4G无线通信芯片；

SPI通信的实现

SPI通信的核心实现是移位寄存器，移位寄存器按照SCK时钟进行移位，实现了主机和从机的数据交换；

SPI移位示意图 从图中来看，现在主机通过某个SS端输出低电平选中了某个从机，现在双方要实现一个字节数据的交换：主机通过波特率发生器产生SCK时钟，在时钟的上升沿，主从机的移位寄存器向左移位，也即主机的1进入MOSI，从机的0进入MISO，在SCK时钟的下降沿，移位寄存器对MOSI、MISO进行电平采样，并且填充移位寄存器的最后一位，这样主机和从机的数据就实现了一个位的互换，如此循环八次，就实现了一个字节数据的交换。

而有时候我们希望只进行单工通信，只希望接收从机数据时，主机还是会在移动寄存器设置垃圾数据，例如0xFF或者0x00，交换从机的数据；而只希望发送主机数据时，那么主机端不要读取返回的数据即可，可见单工通信仍然采用双工的通信方式，某种程度上的确带来了资源的浪费。

另一个值得注意的是，SPI并没有规定SCK起始时必须是高电平还是低电平，也没有规定一定需要上升沿移位，下降沿采样，SPI给出了两个位进行配置：

  • CPOL（Clock Polarity，时钟极性）：0代表初始化为低电平，1代表初始化为高电平；

  • CPHA（Clock Phase，时钟相位）：0代表第一个边沿先采样第二个边沿移入数据，1代表第一个边沿先移入数据第二个边沿采样；这里的边沿指的是跳变沿。

SPI移位示意图

因此结合起来一共有四个可能（CPOL|CPHA定义了Mode0-Mode3），不同的芯片采用的策略不同，具体要参考数据手册决定交换一个字节数据的写法。值得注意的是，如果CPHA=0，那么在SCK第一个边沿会移入数据，为了防止直接覆盖移位寄存器最后一位，移位寄存器首先会在SS的下降沿就移位一次（一般认为这使得移位时间提前了半个周期）；

SPI通信时序

有了上面的认识，读写时序一笔带过即可。读写时序是基本一致的：

  1. 主机SSx输出低电平，选中某个从机；
  2. SCK产生时钟，按照模式0~模式3进行不同的移位、采用操作实现一个字节的数据交换，这个字节的指令定义了是读还是写设备，具体参照外设的数据手册；
  3. 如果单字节指令就完成数据传输，SS重新置回高电平，完成数据传输；
  4. 如果单字节指令后面还有指令（例如读写指令后面+地址+数据），SPI没有应答机制，也即SS不变化，继续按照SCK时钟传输指令，直到最后才将SS置回高电平；

为了防止冲突，当从机SS为高电平时，不会通过MISO向主机发数据，此时从机会输出高阻态。

SPI读写TFT触摸屏

纯手撕代码，从零写SPI协议，并且完成TFT触摸屏的stm32驱动模块；采用的是软件SPI的写法，因为多硬件控制、尤其是esp32这些少引脚设备，硬件SPI移植可能依赖库函数和引脚数量。

引脚配置

TFT SPI屏幕显示驱动ILI9341，触摸驱动Xpt2046。

stm32f103c8t6 TFT SPI屏幕
5V/3.3V VCC
GND GND
PB11 CS
PB12 RESET
PB10 DC
PB15 SDI(MOSI)
PB13 SCK
PB9 LED
PB14 SDO(MISO)

引脚初始化代码

相比于传统SPI接口，这里多出来了RESET、DC、LED三个接口。从ILI9341数据手册可以简单了解，RESET是低电平复位信号，复位在数字电路设计是很必要的信号，LED是背光信号，可以接3.3V常亮，也可以由引脚控制；DC是一个特殊信号，它是ILI9341区别命令和数据的一个信号，当它是高电平1时，代表读写的是数据参数，当它是低电平0时，代表读写的是命令参数，这在后面读写函数会用到，ILI9341的Command记录了LCD的设置命令。

因此这里除了MOSI配置成上拉输入，其他六个端口配置成推挽输出即可。 

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void TFT_GPIOInit(void){
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB ,ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9| GPIO_Pin_10| GPIO_Pin_11  \
    | GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);	

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_14;    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; 
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

复位

复位是防止垃圾数据，统一时序电平，和FPGA类似，拉低RESET一会就好了，例程是100ms: 

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void LCD_RESET(void)
{
    LCD_RST_CLR;
    delay_ms(100);	
    LCD_RST_SET;
    delay_ms(50);
}
其中：
#define GPIOx GPIOB
#define LCD_RST 12
#define	LCD_RST_SET	GPIOx->BSRR=1<<LCD_RST   //置位PB12，LCD_RST=12
#define	LCD_RST_CLR	GPIOx->BRR=1<<LCD_RST    //复位PB12
这里使用了寄存器操作，寄存器的操作带来的刷新帧率是28帧，库函数是14帧，因此提高了性能。

这里有必要了解一下寄存器知识，以下三个寄存器都能够对初始化的端口进行配置，使其输出低电平或者高电平；    

- BSRR寄存器（端口位设置清除寄存器）：32位寄存器，高16位写1为低电平，低16位写1是高电平；写0，无动作；只写

- BRR寄存器（端口位清除寄存器）：32位寄存器，仅低16位有效，写1为低电平，写0无动作；只写

- ODR寄存器：32位寄存器，仅低16位有效，写1为高电平，写0为低电平；可读可写寄存器；

其中ODR必须一次设置16位，因此对单一端口配置经常使用BSRR和BRR寄存器，上面使用1左移12位，分别代表将引脚PB12置高电平、低电平。

- IDR寄存器：低十六位有效，读取引脚电平（后面用到）

SPI写数据

软件SPI，ILI9341采用的是模式0（兼容模式3），因此初始化时，先移位向MOSI放数据，再产生SCK时钟的上升沿，再拉回下降沿，如此循环8次就完成一个字节发送： 

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uint8_t SwapData(uint8_t SendData){
	uint8_t i; 
    for(i=0;i<8;i++){ //一个字节
        if(SendData&0x80)  //取最高位
            LCD_MOSI_SET;   //为1 MOSI也发送1
        else
            LCD_MOSI_CLR;  //否则发0
        SendData<<=1;  //移位
        LCD_SCK_SET;  //创造SCK上升沿
        if(LCD_MISO_ReadStatus)  //读取MISO
            SendData|=0x01;    //放入主机的最后一位
        LCD_SCK_CLR;   //拉低SCK
    }
    return SendData;  //最后主机的字节就交换成从机字节，虽然TFT显示没有使用，但是对称性~
}

//其中宏定义：
#define LCD_SCK  13
#define LCD_MOSI 15 
#define LCD_MISO 14
#define	LCD_SCK_SET	GPIOx->BSRR=1<<LCD_SCK    //置位	  PB13
#define	LCD_SCK_CLR	GPIOx->BRR=1<<LCD_SCK    //复位	  PB13
#define	LCD_MOSI_SET	GPIOx->BSRR=1<<LCD_MOSI  //置位	  PB15
#define	LCD_MOSI_CLR	GPIOx->BRR=1<<LCD_MOSI  //复位	  PB15
#define LCD_MISO_ReadStatus (GPIOx->IDR&(1<<LCD_MISO)) //读取PB14高低电平
SPI的发数据，实际上就是和从机交换数据，因此这里为了对称性，我们还是把从机的数据获取了过来，对于TFT显示这不是必须的，但是对SPI这个概念需要有。

SPI向TFT发送字节数据

这里字节数据分成8bits的命令（寄存器地址）还是8bits的数据，区别在于DC是拉低还是拉高： 

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void LCD_SendCMD(uint8_t cmdbyte){
        LCD_CS_CLR; //拉低SS片选
        LCD_DC_CLR;  //发命令：拉低DC
        SwapData(cmdbyte);
        LCD_CS_SET;  //拉高片选	
}
	
void LCD_SendData(uint8_t databyte){
    LCD_CS_CLR; //拉低SS片选
    LCD_DC_SET;  //发数据：拉高DC
    SwapData(databyte);
    LCD_CS_SET;  //拉高片选	
}

//宏解析：
#define LCD_CS 11
#define LCD_DC 10 
#define LCD_CS_SET GPIOx->BSRR=1<<LCD_CS
#define LCD_CS_CLR GPIOx->BRR=1<<LCD_CS
#define LCD_DC_SET GPIOx->BSRR=1<<LCD_DC
#define LCD_DC_CLR GPIOx->BRR=1<<LCD_DC
再封装一些特殊用法，例如发送16位的数据，向8位寄存器地址发送8位的数据： 
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void LCD_SendData_16bits(uint16_t databyte_16bits){
    LCD_CS_CLR; //拉低SS片选
    LCD_DC_SET;  //发数据：拉高DC
    SwapData(databyte_16bits);
    databyte_16bits>>=8;
    SwapData(databyte_16bits);
    LCD_CS_SET;  //拉高片选	
}

void LCD_SendData_ToAddr(uint8_t LCD_RegAddr, uint8_t LCD_RegValue)
{	
    LCD_SendCMD(LCD_RegAddr);  
    LCD_SendData(LCD_RegValue);	    		 
}
至此，SPI的任务基本完成了，后面就是使用这些工具，向TFT发送各种初始化、设置命令（开抄，使其工作。

SPI读写SD卡

SPI读写SD卡在TFT显示图片