SPI协议与GPIO模拟SPI的实现

SPI定义

SPI（Serial Peripheral Interface, 串口外设接口），它用于MCU与各种外围设备以串行方式进行通信，速度最高可达25MHz以上。

SPI接口主要应用在EEPROM、 FLASH、实时时钟、网络控制器、 OLED显示驱动器、 AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等设备之间。

SPI通常由四条线组成，一条主设备输出与从设备输入（ Master Output Slave Input， MOSI），一条主设备输入与从设备输出（ Master Input Slave Output， MISO），一条时钟信号（ Serial Clock， SCLK），一条从设备使能选择（ Chip Select， CS）。与I²C类似，协议比较简单，也可以使用GPIO模拟SPI时序。

SPI的数据交换

在SCLK时钟周期的驱动下， MOSI和MISO同时进行，如下图所示，可以看作一个虚拟的环形拓扑结构。主机和从机都有一个移位寄存器，主机移位寄存器数据经过MOSI将数据写入从机的移位寄存器，此时从机移位寄存器的数据也通过MISO传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换。无论主机还是从机，发送和接收都是同时进行的，如同一个“环”。 需要注意的是，数据的写入顺序是从高地址到低地址。

如果主机只对从机进行写操作，主机只需忽略接收的从机数据即可；如果主机要读取从机数据，需要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。

传输模式

SPI有四种传输模式，主要差别在于CPOL和CPHA的不同。

CPOL（ Clock Polarity，时钟极性），表示SCK在空闲时为高电平还是低电平。 当CPOL=0，SCK空闲时为低电平，当CPOL=1， SCK空闲时为高电平。

CPHA（ Clock Phase，时钟相位）， 表示SCK在第几个时钟边缘采样数据。 当CPHA=0，在SCK第一个边沿采样数据（即在第二个边沿输出），当CPHA=1， 在SCK第二个边沿采样数据（即在第一个边沿输出数据）。

比如：CPHA=0时， 表示在时钟第一个时钟边沿采样数据。 当CPOL=1，即空闲时为高电平，从高电平变为低电平，第一个时钟边沿（下降沿） 即进行采样。 当CPOL=0，即空闲时为低电平，从低电平变为高电平，第一个时钟边沿（上升沿）即进行采样。

数据传输流程

首先主机和从机都选择同一传输模式。然后主机片选拉低，选中从机。接着在时钟的驱动下， MOSI发送数据，同时MISO读取接收数据。最后完成传输，取消片选。

模拟SPI

 /*
* 函数名： void SPI_WriteByte(uint8_t data)
* 输入参数： data -> 要写的数据
* 输出参数：无  
* 返回值：无
* 函数作用：模拟 SPI 写一个字节
*/ 
void SPI_WriteByte(uint8_t data) {        //SPI写1 Byte，循环8次，每次发送1 Bit；
    uint8_t i = 0;  
    uint8_t temp = 0;  
    for(i=0; i<8; i++) {
        temp = ((data&0x80)==0x80)? 1:0;  //将data最高位保存到temp；
        data = data<<1;                   //data左移一位，将次高位变为最高位，用于下次取最高位；
        SPI_CLK(0); //CPOL=0              //拉低时钟，即空闲时钟为低电平， CPOL=0；
        SPI_MOSI(temp);                   //根据temp值，设置MOSI引脚的电平；
        SPI_Delay();                      //简单延时，可以定时器或延时函数实现
        SPI_CLK(1); //CPHA=0              //拉高时钟， W25Q64只支持SPI模式0或1，即会在时钟上升沿采样MOSI数据；
        SPI_Delay();  
     }
     SPI_CLK(0);                          //最后SPI发送完后，拉低时钟，进入空闲状态；
}

/*
* 函数名： uint8_t SPI_ReadByte(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：读到的数据
* 函数作用：模拟 SPI 读一个字节
*/    
uint8_t SPI_ReadByte(void) {         //SPI读1 Byte，循环8次，每次接收1 Bit；
    uint8_t i = 0;
    uint8_t read_data = 0xFF;
    for(i=0; i<8; i++) {
        read_data = read_data << 1;  //“腾空” read_data最低位，8次循环后，read_data将高位在前；  
        SPI_CLK(0);                  //拉低时钟，即空闲时钟为低电平；  
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);
        SPI_Delay();
        if(SPI_MISO()==1) { 
           read_data = read_data + 1;
        }
    }
    SPI_CLK(0);                      //最后SPI读取完后，拉低时钟，进入空闲状态  
    return read_data;
}  

前面提到SPI传输可以看作一个虚拟的环形拓扑结构，即输入和输出同时进行。在前面“ SPI_WriteByte()”函数里，发送了1 Byte，也应该接收1 Byte，只是代码中忽略了接收引脚MISO的状态； 在前面“ SPI_ReadByte()”函数里，接收了1 Byte，也应该发送1 Byte，只是代码中忽略了发送引脚MOSI的内容。有些场景， SPI需要同时读写，因此还需要编写SPI同时读写函数。

/*
* 函数名： uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data)
* 输入参数： data -> 要写的一个字节数据
* 输出参数：无
* 返回值：读到的数据
* 函数作用：模拟 SPI 读写一个字节
*/SPI读和写1 Byte，循环8次，每次发送和接收1 Bit；  
uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data) {
    uint8_t i = 0;
    uint8_t temp = 0;
    uint8_t read_data = 0xFF;
    for(i=0;i<8;i++) {
        temp = ((data&0x80)==0x80)? 1:0; //将data最高位保存到temp；  
        data = data<<1;                  //data左移一位，将次高位变为最高位，用于下次取最高位；  
        read_data = read_data<<1;        //“腾空” read_data最低位，8次循环后，read_data将高位在前；  
        SPI_CLK(0);
        SPI_MOSI(temp);
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);
        SPI_Delay();
        if(SPI_MISO()==1) {             //读取MISO上的数据，保存到当前read_data最低位，后续通过左移的方式腾挪位置；  
            read_data = read_data + 1;
        }
    }
    SPI_CLK(0);
    return read_data;
}