沈阳师范大学：《单片机原理与接口技术应用》课程教学资源（PPT课件）第09章 SPI与I2C串行总线

SP|与I2C串行总线第9章

第9章 SPI与I2C串行总线

本章讲述了SPI与I2C串行总线，包括SPI通信原理STM32F103的SPI工作原理、SPI库函数、SPI串行总线应用实例、12C通信原理、STM32F103的I2C接口、STM32F103的12C库函数和12C串行总线应用实例

本章讲述了SPI与I2C串行总线，包括SPI通信原理、 STM32F103的SPI工作原理、SPI库函数、SPI串行总线应用 实例、I2C通信原理、STM32F103的I2C接口、STM32F103 的I2C库函数和I2C串行总线应用实例

9.1SPI通信原理串行外设接口（SerialPeripheralInterface，SP）是由美国摩托罗拉（Motorola）公司提出的一种高速全双工串行同步通信接口，首先出现在M68HC系列处理器中，由于其简单方便，成本低廉，传输速度快，因此被其他半导体厂商广泛使用，从而成为事实上的标准。SP与USART相比，其数据传输速度要快得多，因此它被广泛地应用于微控制器与ADC、LCD等设备的通信，尤其是高速通信的场合。微控制器还可以通过SP组成一个小型后步网络进行高速数据交换，完成较复杂的工作

9.1 SPI通信原理 串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是由 美国摩托罗拉（Motorola）公司提出的一种高速全双工串行同 步通信接口，首先出现在M68HC系列处理器中，由于其简单 方便，成本低廉，传输速度快，因此被其他半导体厂商广泛 使用，从而成为事实上的标准。 SPI与USART相比，其数据传输速度要快得多，因此它 被广泛地应用于微控制器与ADC、LCD等设备的通信，尤其 是高速通信的场合。微控制器还可以通过SPI组成一个小型同 步网络进行高速数据交换，完成较复杂的工作

作为全双工同步串行通信接口，SPI采用主／从模式（master/slave），支持一个或多个从设备，能够实现主设备和从设备之间的高速数据通信。SPI具有硬件简单、成本低廉、易于使用、传输数据速度快等优点，使用于成本敏感或者高速通信的场合。但同时，SP也存在无法检香查纠错、不具备寻址能力和接收方没有应答信号等缺点，不适合复杂或者可靠性要求较高的场合

作为全双工同步串行通信接口，SPI采用主／从模式（ master/slave），支持一个或多个从设备，能够实现主设备和 从设备之间的高速数据通信。 SPI具有硬件简单、成本低廉、易于使用、传输数据速度 快等优点，使用于成本敏感或者高速通信的场合。但同时， SPI也存在无法检查纠错、不具备寻址能力和接收方没有应答 信号等缺点，不适合复杂或者可靠性要求较高的场合

9.1.1 SPI介绍SPI是同步全双工串行通信接口。由于同步，SPI有一条公共的时钟线：由于全双工，SPI至少有两条数据线来实现数据的双向同时传输；由于串行，SPI收发数据只能一位一位地在各自的数据线上传输，因此最多只有两条数据线：一条发送数据线和一条接收数据线。由此可见，SPI在物理层体现为4条信号线，分别是SCK、MOSI、MISO和SS。1）SCK（SerialClock），即时钟线，由主设备产生。不同的设备支持的时钟频率不同。但每个时钟周期可以传输一位数据，经过8个时钟周期，一个完整的字节数据就传输完成了。2）MOSl（MasterOutput SlaveInput），即主设备数据输出／从设备数据输入线。这条信号线上的方向是从主设备到从设备，即主设备从这条信号线发送数据，从设备从这条信号线上接收数据。有的半导体厂商（如Microchip公司），站在从设备的角度，将其命名为SDI

SPI是同步全双工串行通信接口。由于同步，SPI有一 条公共的时钟线；由于全双工，SPI至少有两条数据线来实 现数据的双向同时传输；由于串行，SPI收发数据只能一位 一位地在各自的数据线上传输，因此最多只有两条数据线： 一条发送数据线和一条接收数据线。由此可见，SPI在物理 层体现为4条信号线，分别是SCK、MOSI、MISO和SS。 1）SCK（Serial Clock），即时钟线，由主设备产生。 不同的设备支持的时钟频率不同。但每个时钟周期可以传输 一位数据，经过8个时钟周期，一个完整的字节数据就传输 完成了。 2）MOSI（Master Output Slave Input），即主设备数 据输出／从设备数据输入线。这条信号线上的方向是从主设 备到从设备，即主设备从这条信号线发送数据，从设备从这 条信号线上接收数据。有的半导体厂商（如Microchip公司 ），站在从设备的角度，将其命名为SDI。 9.1.1 SPI介绍

3）MiSO（MasterInputSlaveOutput），即主设备数据输入／从设备数据输出线。这条信号线上的方向是由从设备到主设备，即从设备从这条信号线发送数据，主设备从这条信号线上接收数据。有的半导体厂商（如Microchip公司），站在从设备的角度，将其命名为SDO。4）SS（Slave Select），有时候也叫CS（ChipSelect），SPI从设备选择信号线，当有多个SPI从设备与SPI主设备相连（即一主多从）时，SS用来选择激活指定的从设备，由SPI主设备（通常是微控制器）驱动，低电平有效。当只有一个SPI从设备与SPI主设备相连（即一主一从）时，SS并不是必需的。因此，SPI也被称为三线同步通信接口。除了SCK、MOSI、MISO和SS这4条信号线外，SPI接口还包含一个串行移位寄存器，如图9-1所示

3） MISO（Master Input Slave Output），即主设备数 据输入／从设备数据输出线。这条信号线上的方向是由从设 备到主设备，即从设备从这条信号线发送数据，主设备从这 条信号线上接收数据。有的半导体厂商（如Microchip公司 ），站在从设备的角度，将其命名为SDO。 4）SS（Slave Select），有时候也叫CS（Chip Select ），SPI从设备选择信号线，当有多个SPI从设备与SPI主设 备相连（即一主多从）时，SS用来选择激活指定的从设备 ，由SPI主设备（通常是微控制器）驱动，低电平有效。当 只有一个SPI从设备与SPI主设备相连（即一主一从）时， SS并不是必需的。因此，SPI也被称为三线同步通信接口。 除了SCK、MOSI、MISO和SS这4条信号线外，SPI接 口还包含一个串行移位寄存器，如图9-1所示

SPI主设备SPI从设备（微控制器）（外设模块或微控制器）SCKSCKMOSISPISPI数据数据寄存器寄存器MISOSsSS图9-1SPI接口组成

图9-1 SPI接口组成 MOSI MISO SPI主设备 （微控制器） SPI从设备 （外设模块或微控制器） SPI 数据 寄存器 SPI 数据 寄存器 SCK SCK SS SS SS SS VDD

9.1.2SPI互连SP互连主要有一主一从和一主多从两种互连方式。1.一主一从在一主一从的SPI互连方式下，只有一个SPI主设备和一个SPI从设备进行通信。这种情况下，只需要分别将主设备的SCK、MOSI、MISO和从设备的SCK、MOSI、MISO直接相连，并将主设备的SS置为高电平，从设备的SS接地（置为低电平，片选有效，选中该从设备）即可，如图9-2所示

SPI互连主要有一主一从和一主多从两种互连方式。 1．一主一从 在一主一从的SPI互连方式下，只有一个SPI主设备和 一个SPI从设备进行通信。这种情况下，只需要分别将主设 备的SCK、MOSI、MISO和从设备的SCK、MOSI、MISO 直接相连，并将主设备的SS置为高电平，从设备的SS接地 （置为低电平，片选有效，选中该从设备）即可，如图9-2 所示。 9.1.2 SPI互连

SPI主设备SPI从设备（外设模块或微控制器）（微控制器）SCKSCKMOSIMOSIMISOMISOVDDSsSS图9-2一主一从的SPI互连

图9-2 一主一从的SPI互连 SPI主设备 （微控制器） SPI从设备 （外设模块或微控制器） SCK MOSI MISO SCK MOSI MISO SS SS VDD

2.一主多从在一主多从的SPI互连方式下，一个SPI主设备可以和多个SPI从设备相互通信。这种情况下，所有的SPI设备（包括主设备和从设备）共享时钟线和数据线，即SCK、MOSI、MISO这3条线，并在主设备端使用多个GPIO引脚来选择不同的SPI从设备，如图9-3所示。显然，在多个从设备的SPI互连方式下，片选信号SS必须对每个从设备分别进行选通，增加了连接的难度和连接的数量，失去了串行通信的优势

2．一主多从 在一主多从的SPI互连方式下，一个SPI主设备可以和多 个SPI从设备相互通信。这种情况下，所有的SPI设备（包括 主设备和从设备）共享时钟线和数据线，即SCK、MOSI、 MISO这3条线，并在主设备端使用多个GPIO引脚来选择不同 的SPI从设备，如图9-3所示。显然，在多个从设备的SPI互 连方式下，片选信号SS必须对每个从设备分别进行选通，增 加了连接的难度和连接的数量，失去了串行通信的优势