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SPI通信协议

news 来源：原创 2025/7/13 17:19:54

SPI通信协议

简介
- 通信原理
- 通信原理
- SPI数据通信的流程可以分为以下几步：
- 通信特性
- 设备时钟
- 时钟速率
- 时钟极性跟相位
- SPI协议层
- 通讯流程详解
- - 优点：
  - 缺点：
- DS1302 时钟实验
- - 控制寄存器
  - 日历、时钟寄存器
  - 寄存器说明
- DS1302 读写时序
- - 软件功能实现

简介

SPI是一种高速、全双工、同步通信总线，通常能达到甚至超过10M/bps最快可以超过50M/bps
主要有两种模式，通常有一个主模块和一个或多个从模块组成，主模块选择一个从模块进行同步通信，从而完成数据的交换
提供时钟的为主设备接收时钟的设备为从设备，SPI接口的读写操作，都是由主设备发起，当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理

通信原理

需要4根线，单项传输时需要三根线（半双工），分别是MISO(主设备数据输入）、MOSI(主设备数据输出)、SCLK(时钟)和CS/SS(片选)
CS/SS:从设备使能信号，由主设备控制，一主多从时，CS/SS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，只有片选信号为预先规定的使能信号时（高低电位），主芯片对此芯片的操作才有效

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通信原理

SPI主设备和从设备都有一个串行移位寄存器，主设备通过向他的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输
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SPI数据通信的流程可以分为以下几步：

1、主设备发起信号，将CS/SS拉低，启动通信。
2、主设备通过发送时钟信号，来告诉从设备进行写数据或者读数据操作（采集时机可能是时钟信号的上升沿（从低到高）或下降沿（从高到低），因为SPI有四种模式，后面会讲到），它将立即读取数据线上的信号，这样就得到了一位数据（1bit）。
3、主机（Master）将要发送的数据写到发送数据缓存区（Menory），缓存区经过移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置），串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
4、从机（Slave）也将自己的串行移位寄存器（缓存长度不一定，看单片机配置）中的内容通过MISO信号线返回给主机。
同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
例如，下图示例中简单模拟SPI通信流程，主机拉低NSS片选信号，启动通信，并且产生时钟信号，上升沿触发边沿信号，主机在MOSI线路一位一位发送数据0X53，在MISO线路一位一位接收数据0X46，
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通信特性

SPI是单主设备（Single Master）通信协议，只有一支主设备能发起通信，当SPI主设备想读/写从设备时，它首先拉低从设备对应的SS线（SS是低电平有效）。

设备时钟

SPI时钟特点主要包括：时钟速率、时钟极性和时钟相位三方面

时钟速率

SPI总线上的主设备必须在通信开始时候配置并生成相应的时钟信号。从理论上讲，只要实际可行，时钟速率就可以是你想要的任何速率，当然这个速率受限于每个系统能提供多大的系统时钟频率，以及最大的SPI传输速率。

时钟极性跟相位

极性是指空闲时的电平，空闲时为低电平为0;高电平为1
相位是指采样数据时的位置，为0的时候是在上升沿采样，为1是在下降沿采样

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SPI协议层

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这是一个主机的通讯时序，MOSI与MISO的信号只有在NSS为低电平的时候才有效去，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据

通讯流程详解

通讯的起始和停止信号，也就是在自己的NSS线检测到起始信号后，就开始于主机通讯，，停止就是NSS由低变高
数据有效性：一般采用MSB(高位先传)，下降沿采样，上升沿触发，下降沿开始采样

优点：

无起始位和停止位，因此数据位可以连续传输而不会被中断；

没有像I2C这样复杂的从设备寻址系统；

数据传输速率比I2C更高（几乎快10倍）；

分离的MISO和MOSI信号线，因此可以同时发送和接收数据；

极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；

非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。

缺点：

1.使用四根信号线，成本高
2.无法确认是否已成功接收数据，也就是说只负责发送，至于接没接受到不管
3.没有任何形式错误检查，数据的误差性有，如串口UART中的奇偶校验位
4.只允许一个主设备
5.没有应答信号，跟2很相似
6.支持距离短

DS1302 时钟实验

开发板上集成了 1 个 DS1302 时钟模块，可使用它设计一个多功能电子时钟。本章要实现的功能是：系统运行时，数码管上显示电子时钟时分秒，格式为 “XX-XX-XX”。芯片管脚如下：

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1.VCC2：主电源引脚
2.X1、X2：DS1302 外部晶振引脚，通常需外接 32.768K 晶振
3.GND：电源地
4.CE：使能引脚，也是复位引脚（新版本功能变）。
5I/O：串行数据引脚，数据输出或者输入都从这个引脚
6.SCLK：串行时钟引脚
7.VCC1：备用电源

控制寄存器

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第七位：1
第六位：1代表RAM 寻找内部存储器地址，128字节地址，0代表CK,寻址内部寄存器，即特殊功能寄存器
第五到第一位：地址
最低位：操作方式 WR0为写 1为读RD 默认为0 WR上面横线代表低有效

以下面这张图为参考

比如要读秒寄存器 1000 0001，写就是1000 0000；正常就是读秒转换当然如果说要快速计算的话用下面的可能更快一点，正常我们在写入时间的时候关闭写保护寄存器，这样才可以往里面写入时间，当我们写入完毕后就要关闭写保护，这样可以避免时间被修改，正常情况下我们就用第一条

日历、时钟寄存器

DS1302共有12个寄存器，其中有7个日历时钟相关，存放的数据为BCD码形式
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当然可以这么理解，打个比方50二进制0011 0010， BCD表示就是0101 0000 它是分位表示的，它是按位分解的，50/16 =3 那么高位就是0011 余2低位就是0010 大概是这么个意思自己去琢磨

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寄存器说明

秒寄存器：低四位为秒的个数，高的次三位为秒的十位，最高位为CH 当CH=0时候内部时钟运行，反之CH=1时候停止
小时寄存器 最高位为12/24小时的格式选择位，该位为1的时候表示12小时格式，当设置为12小时格式显示时候，第5位的高电平1表示下午（PM）,而设置24小时格式时，第5位为具体时间数据

写保护寄存器 当该寄存器最高位WP为1时，DS1302只读不写，0时可以写

慢充电寄存器（涓细电流充电）寄存器：当DS1302掉电时，可以马上调用外部电源保护时间数据，保证时间正常走动，选项为备用电源使用，其中只有高四位（TCS）只有在 1010 时候才能使用充电选项

DS1302 读写时序

低位先读
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（上图就是 DS1302 的三个时序：复位时序，单字节写时序，单字节读时序； CE（RST）：复位时序，即在 RST 引脚产生一个正脉冲，在整个读写器件， RST 要保持高电平，一次字节读写完毕之后，要注意把 RST 返回低电平准备下次读写周期；）

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DS1302 芯片的控制管脚接至单片机 P3.4-P3.6 上，在芯片的 X1、X2 管脚处外接了一个 32.768KHZ 晶振，为时钟运行提供一个稳定的时钟频率，C2 和 C3 为旁路电容，目的是消除晶振起振时产生的电感干扰。对于本开发板无外接备用电池，如果需要可自行将外部备用电源接入第 8 脚 VCC1。

软件功能实现

数码管上显示电子时钟时分秒，格式为“XX-XX-XX”。
程序框架如下：
（1）编写数码管显示功能
（2）编写 DS1302 时钟读写功能
（3）编写主函数前面的实验章节都已编写过数码管显示功能，现在对大家来说应该不是问题，所以本章软件的重点在 DS1302 时序的模拟及数据的读写上。

//ds1302.h
#ifndef __DS1302_H
#define	__DS1302_H#include "public.h"sbit DS1302_RST	=	P3^5;//SPI复位或片选
sbit DS1302_CLK	=	P3^6;//SPI时钟
sbit DS1302_IO	=	P3^4;//SPI数据extern u8 g_ds1302_timer[];//借助外部main定义的时间void DS1302_Init(void);
void DS1302_GetTime(void);
#endif//ds1302.c
#include "ds1302.h"static u8 ds1302_cmd[] = {0x80, 0x82, 0x84, 0x86, 0x88, 0x8a, 0x8c}; // 秒分时日月周年的写的指令static void _ds1302_WriteByte(u8 u8cmd, u8 u8data);
static u8 _ds1302_ReadByte(u8 u8cmd);
//复位初始化
void DS1302_Init(void)
{u8 i = 0;_ds1302_WriteByte(0x8E, 0x00); // 写入数据，关闭写保护 指令是1000 1110 delay_ms(10);                  // 延时，确保 DS1302 可以完成初始化for (i = 0; i < 7; i++){_ds1302_WriteByte(ds1302_cmd[i], g_ds1302_timer[i]);}_ds1302_WriteByte(0x8E, 0x80); // 打开写保护。只读不写 这里我感觉可以写成0x8f  没实验
}void DS1302_GetTime(void)
{u8 i;for (i = 0; i < 7; i++){g_ds1302_timer[i] = _ds1302_ReadByte(ds1302_cmd[i] | 1); // 读时钟，读到时钟的低位}
}
static void _ds1302_WriteByte(u8 u8cmd, u8 u8data)
{u8 i = 0;DS1302_RST = 0; // 复位 DS1302 从0到1代表开始_nop_();DS1302_CLK = 0; // 低空闲_nop_();DS1302_RST = 1; // 复位 DS1302_nop_();//高8位for (i = 0; i < 8; i++) // LSB  低位 遍历{DS1302_IO = u8cmd & 0x01;//指令采样u8cmd >>= 1;    // 数据右移 一个个排除低位 从低位获取DS1302_CLK = 1; // 拉高 SCLK  高转低1位数据采样结束_nop_();DS1302_CLK = 0; // 拉低 SCLK_nop_();}for (i = 0; i < 8; i++) // LSB{DS1302_IO = u8data & 0x01; //数据IO采样u8data >>= 1;   // 数据右移DS1302_CLK = 1; // 拉高 SCLK_nop_();DS1302_CLK = 0; // 拉低 SCLK_nop_();}DS1302_RST = 0; // 结束采样复位结束_nop_();
}
// 读一个字节从 DS1302
static u8 _ds1302_ReadByte(u8 u8cmd)
{u8 i = 0;u8 temp;        // 读到的位值u8 u8data = 0;  // 读到的返回值DS1302_RST = 0; // 复位 DS1302 低转高复位成功开始采集_nop_();DS1302_CLK = 0; // 低空闲_nop_();DS1302_RST = 1; // 复位 DS1302_nop_();for (i = 0; i < 8; i++) // LSB{DS1302_IO = u8cmd & 0x01;u8cmd >>= 1;    // 数据右移DS1302_CLK = 1; // 拉高 SCLK 采样_nop_();DS1302_CLK = 0; // 拉低 SCLK_nop_();}for (i = 0; i < 8; i++) // 主机读取8位数据{temp = DS1302_IO; // 读取数据u8data |= (temp << i);DS1302_CLK = 1; // 拉高 SCLK_nop_();DS1302_CLK = 0; // 拉低 SCLK_nop_();}DS1302_RST = 0; // 结束采样_nop_();// 我们的开发板P34有问题，外部没有上拉电阻，需要一个P34的上升沿才能访问到数据DS1302_CLK = 1; // 拉高 SCLK_nop_();DS1302_IO = 0;_nop_();DS1302_IO = 1;_nop_();return u8data;
}//main.c
/*
功能要求：
将DS1302的时-分-秒显示在数码管上。
*/#include "public.h"
#include "smg.h"
#include "ds1302.h"
#include "uart.h"void main(void)
{u8 u8code[8] = {0};u8 i = 0;//计时器SMG_Init();UART_Init();DS1302_Init();while(1){//温度模块i++;if(i == 50)//每秒读一次温度{i = 0;DS1302_GetTime();}//数码管模块u8code[0] = smg_code[g_ds1302_timer[2]/16];//时的十位u8code[1] = smg_code[g_ds1302_timer[2]%16];//时的个位u8code[2] = 0x40;u8code[3] = smg_code[g_ds1302_timer[1]/16];//分的十位u8code[4] = smg_code[g_ds1302_timer[1]%16];//分的个位u8code[5] = 0x40; u8code[6] = smg_code[g_ds1302_timer[0]/16];//秒的十位u8code[7] = smg_code[g_ds1302_timer[0]%16];//秒的个位SMG_Display(u8code);}
}

SPI通信协议

简介

通信原理

通信原理

SPI数据通信的流程可以分为以下几步：

通信特性

设备时钟

时钟速率

时钟极性跟相位

SPI协议层

通讯流程详解

优点：

缺点：

DS1302 时钟实验

控制寄存器

日历、时钟寄存器

寄存器说明

DS1302 读写时序

软件功能实现

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