1、第11章 STC单片机SPI原理及实现,何宾 2015.02,STC SPI模块结构及功能 SPI模块寄存器组 SPI模块配置及时序 SPI模块设计实例,本章主要内容,使用SPI进行数据的传输，不但需要有源方（发送数据的一方）提供的时钟信号。而且，还需要有源方（发送数据的一方）提供的同步信号。基于SPI的通信方式是典型的高速同步双向数据传输方式。这种通信方式在工业界应用非常广泛。典型地，SPI接口主要用于在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器、数字信号处理器和数字信号解码器之间的数据传输。,STC SPI模块结构及功能-SPI传输特点,STC公司系列单片机提供了另一种高速串行通信接口
2、SPI接口。SPI接口为数据传输提供了主模式和从模式两种工作模式。在主模式下，支持高达3MHzbps的数据传输率。如果单片机的主频在2036MHz，工作频率为12MHz时，可以提供更高的工作速度。在从模式下，速度受限，STC推荐数据率在SYSclk/4内的数据传输率。此外，SPI接口提供了完成标志和写冲突标志保护。,STC SPI模块结构及功能-STC单片机SPI模块功能,在SPI接口中，提供了4个信号用于进行高速同步数据传输。包括：MOSI主设备输出和从设备输入信号，实现主设备（发出数据）到从设备（接收数据）的数据传输。当STC的SPI接口作为主设备传输数据时，该信号方向为输出，指向从设备；
3、当STC的SPI接口作为从设备接收数据时，该信号方向为输入，由从设备指向STC单片机的SPI接口。,STC SPI模块结构及功能-SPI接口信号,MISO主设备输入和从设备输出信号，实现从设备（发出数据）到主设备（接收数据）的数据传输。当STC的SPI接口作为主设备传输数据时，该信号方向为输入，由从设备指向STC单片机的SPI接口；当STC的SPI接口作为从设备接收数据时，该信号方向为输出，指向从设备。注：不管单片机的SPI接口是作为主设备还是从设备，MOSI和MISO传输方向都是相反的。,STC SPI模块结构及功能-SPI接口信号,SCLK串行时钟信号，它由主设备发出，指向从设备。在串行时
4、钟的控制下，用于同步主设备和从设备之间MISO和MOSI信号线上数据的传输过程。当主设备启动一次数据传输过程时，自动产生8个SCLK信号给从设备。在SCLK信号的上升沿或者下降沿到来的时候，移出一位数据。一次传输可以传输一个字节的数据。注：（1）在一些应用中，将多个设备SPI接口的SCLK、MOSI、MISO信号连接在一起。通过MOSI信号，将数据从主设备发送到从设备。 （2）如果将SPCTL寄存器的SPEN位设置为0（复位值为0），则禁止SPI接口，分配给这些信号的引脚可以当作普通I/O引脚使用。,STC SPI模块结构及功能-SPI接口信号,SS从设备选择信号。通过该信号，主设备用于选择处
5、于从模式的SPI设备。在主模式和从模式下，SS信号的用法不同。在主模式下，SPI接口只能有一个主设备，不存在选择主机的问题，在该模式下，该位不是必须的。在主模式下，将主设备的SS引脚通过10K电阻上拉到高电平。每一个从设备的SS信号与主设备的SS信号连接，由主设备控制电平的高低，以便主设备选择从设备。在从模式下，不管接收还是发送该信号必须有效。因此，在一次数据开始传输之前必须将SS信号拉低。,STC SPI模块结构及功能-SPI接口信号,通过SS信号，SPI从设备确认是否被选中。如果满足下面的其中一个条件，则忽略该信号：如果禁止SPI接口 。如果配置为SPI主设备，即SPCTL寄存器的MSTR
6、位置为1，并且P1.2/SS配置为输出。如果SPCTL寄存器的SSIG位置为高，该引脚用作普通I/O功能。注：即使STC单片机的SPI接口配置为主设备，但是仍然可以通过拉低SS引脚，将其配置为从设备。通过设置寄存器相应的位使能该特性。,STC SPI模块结构及功能-SPI接口信号,STC15系列单片机的SPI接口提供的三种数据通信方式。单一主设备和单一从设备方式,STC SPI模块结构及功能-SPI接口的数据通信方式,在这种通信配置模式中，从设备的SSIG位设置为0，SS用于选择从设备。SPI主设备可以使用任何引脚，包括P1.2/SS引脚来驱动SS信号。主设备的SPI接口和从设备的SPI的8位
7、移位寄存器构成一个循环的16位移位寄存器。在该模式下，主设备既可以向从设备发送数据，又可以读取从设备发来的数据。,STC SPI模块结构及功能-SPI接口的数据通信方式,双设备方式设备可以互为主设备和从设备,STC SPI模块结构及功能-SPI接口的数据通信方式,在该配置模式中，当没有SPI数据传输时，两个设备均可作为主机，将SSIG清零并将P1.2/SS引脚配置为准双向模式。当其中一个器件启动传输时，它将P1.2/SS配置为输出并驱动为低电平，这样就将另一个设备变成从设备。双方初始化时，将自己配置成忽略SS引脚的从模式。当一方要主动发送数据时，先检测SS引脚的电平。如果SS引脚为高，就将自己
8、设置为忽略SS引脚的主模式。在平时，通信双方将自己配置成没有选中的从模式。在该模式下，MISO、MOSI、SCLK信号均为输入。当多个单片机的SPI接口以该模式并联时不会发生总线冲突。,STC SPI模块结构及功能-SPI接口的数据通信方式,单一主设备和多个从设备方式在该配置中，从设备的SSIG位置为0，通过SS信号，选择对应的从设备。主设备的SPI接口可以使用任何端口来驱动SS引脚。,STC SPI模块结构及功能-SPI接口的数据通信方式,SPI模块核心是一个8位的移位寄存器和数据缓冲器，可以同时接收和发送数据。在数据传输的过程中，将接收和发送的数据保存在数据缓冲器。,STC SPI模块结构
9、及功能-SPI模块内部结构,对于主模式来说，如果要发送一个字节的数据，只需要将该数据写到SPDAT寄存器中。在该模式下，SS信号不是必需的；在从模式下，必须在SS信号变为有效并接收到合适的时钟信号后，才可以开始进行数据传输。在从模式下，如果完成一个字节的数据传输，则SS信号变高，这个字节立刻被硬件逻辑标记为接收完成。随后，SPI接口准备接收下一个数据。,STC SPI模块结构及功能-SPI模块内部结构,SPI控制寄存器SPCTL该寄存器位于STC单片机特殊功能寄存器地址为0xCE的位置。当复位后，该寄存器的值为“00000100”。SSIGSS引脚忽略控制位。当该位为1时，MSTR位确定单片机
10、是主设备还是从设备；当该位为0时，SS引脚用于确定单片机是主设备还是从设备。SS引脚可作为普通I/O。,SPI模块寄存器组-SPI控制寄存器,SPI控制寄存器SPCTL各位的含义,SPENSPI使能控制位。当该位为1时，使能SPI接口；当该位为0时，禁止SPI接口，此时所有SPI接口的信号引脚都可以作为普通I/O。DORD设定SPI数据发送和接收的位顺序。当该位为1时，先发送数据字的最低有效位（LSB）；当该位为0时，先发送数据字的最高有效位（MSB）。MSTR主从模式选择位。当该位为1时，主模式；当该位为0时，从模式。,SPI模块寄存器组-SPI控制寄存器,SPI模块寄存器组-SPI控制寄存
11、器,CPOL：SPI时钟极性选择位。当该位为1时，空闲情况下，SCLK为高电平。SCLK的前一个时钟沿为下降沿，而后一个时钟沿为上升沿。当该位为0时，空闲情况下，SCLK为低电平。SCLK的前一个时钟沿为上升沿，而后一个时钟沿为下降沿。CPHA：SPI时钟相位选择位。当该位为1时，在SCLK的前时钟沿驱动数据，并在后时钟沿采样；当该位为0时，在SS为低时驱动数据，在SCLK的后时钟沿改变数据，并在前时钟沿采样。,SPR1和SPR0 时钟速率选择位,SPI模块寄存器组-SPI控制寄存器组,SPR1和SPR0位的含义,SPI状态寄存器SPSTAT该寄存器位于STC单片机特殊功能寄存器地址为0xCD
12、的位置。当复位后，该寄存器的值为“00xxxxxx”。,SPI模块寄存器组-SPI状态寄存器,SPI状态寄存器SPSTAT各位的含义,SPIFSPI传输完成标志。当完成一次SPI数据传输后，硬件将该位设置为1。此时，如果允许SPI中断，则产生中断。当SPI处于主模式，且SSIG为0时，如果SS引脚为输入并驱动为低电平时，硬件也将该标志置为1，表示改变模式WCOLSPI写冲突标志。在数据传输的过程中，如果对SPI数据寄存器SPDAT进行写操作，硬件将该标志置1。,SPI模块寄存器组-SPI状态寄存器,SPI数据寄存器SPDAT该寄存器位于STC单片机特殊功能寄存器地址为0xCF的位置。当复位后，
13、该寄存器的值为“00000000”。,SPI模块寄存器组-SPI数据寄存器,SPI数据寄存器SPDAT各位的含义,中断优先级寄存器2该寄存器位于STC单片机特殊功能寄存器地址为0xB5的位置。当复位后，该寄存器的值为“xxx00000”。PSPISPI中断优先级控制位。当该位为0时，SPI中断为最低优先级中断（优先级为0）；当该位为1时，SPI中断为最高优先级中断（优先级1）。,SPI模块寄存器组-中断优先级寄存器2,中断优先级控制寄存器IP2各位的含义,中断允许寄存器IE2该寄存器位于STC单片机特殊功能寄存器地址为0xAF的位置。当复位后，该寄存器的值为“x000000”。ESPISPI中
14、断允许位。当该位为1时，允许SPI中断；当该位为0时，禁止SPI中断。,SPI模块寄存器组-中断允许寄存器2,中断允许寄存器IE2各位的含义,PCA模块引脚切换寄存器AUXR1（P_SW1）该寄存器位于STC单片机特殊功能寄存器地址为0xA2的位置。当复位后，该寄存器的值为“00000000”。,SPI模块寄存器组-控制SPI引脚位置寄存器,PCA模块引脚切换寄存器AUXR1（P_SW1）各位的含义,SPI_S1和SPI_S0确定SPI接口在单片机上引脚的位置,SPI模块寄存器组-控制SPI引脚位置寄存器,SPI_S1和SPI_S0各位的含义,SPI模块配置及时序 -SPI配置模式,STC 1
15、5系列单片机进行SPI通信时，通过SPEN位、SSIG位、SS引脚和MSTR位，控制其工作模式,SPI模块配置及时序 -SPI配置模式,主从模式的选择,SPI模块配置及时序 -SPI配置模式,主从模式的选择,在SPI中，总是由主设备发起数据传输过程。如果使能SPI，并将其设置为主设备，主设备对SPI数据寄存器的写操作将启动SPI时钟发生器和数据的传输。在数据写入SPDAT之后的0.51个SPI比特位时间后，在MOSI引脚上将出现数据。传输完一个字节后，停止SPI时钟，将SPIF标志置1，并产生一个中断。主设备和从设备CPU的两个移位寄存器可以看作是一个16位的循环移位寄存器。当数据从主设备移位
16、传输到从设备的同时，数据以反方向从从设备移位传输到主设备。也就是，在一个移位周期过程中，主设备和从设备相互交换数据。,主/从模式的注意事项-作为从设备时的注意事项,主/从模式的注意事项-作为主设备时的注意事项,当CPHA为0时，SSIG必须为0不能忽略SS引脚，SS引脚必须设置为低，并且在每个连续的串行字节发送完后必须重新设置为高电平。如果在SS低电平有效时，执行对SPDAT寄存器的写操作，将会导致出现一个写冲突错误。当CPHA为1时，SSIG可以置1可以忽略SS引脚。如果SSIG为0，在连续传输之间SS引脚保持低电平有效。这种方式适合具有单个固定主设备和单个固定从设备之间驱动MISO数据线的
17、系统。,SPI模块配置及时序-通过SS修改模式,如果SPEN为1，SSIG为0且MSTR为1，则SPI为主模式。通过P2M1和P2M0寄存器（用于设备P2端口的输入/输出模式），将SS引脚配置为输入或者准双向模式。在该模式下，另外一个主设备可以将该引脚驱动为低，从而将该器件选择为SPI从设备，并向该从设备发送数据。为了避免总线冲突，SPI执行下面的行为：清零MSTR，并且变为从设备。同时，将MOSI和SCLK强制作为输入模式，而MISO作为输出模式。将SPSTAT寄存器的SPIF标志置为1。如果已经使能SPI中断，则产生SPI中断。,SPI模块配置及时序-写冲突,SPI在发送数据时，为单级缓冲
18、方式；而在接收数据时，为双缓冲方式。如果在发送数据的过程中，向移位寄存器写数据，则将WCOL位置1表示数据冲突。在这种情况下，继续发送完当前的传输的数据，但是新写入的数据丢失。,由于主设备拥有数据传输的控制能力,因此主设备发生写冲突的情况是比较少见的。但是，从设备有可能发生写冲突。这是因为当主设备启动数据传输时，从设备无法控制数据的传输过程。当从设备接收到数据时，将接收到的数据发送到一个并行读数据缓冲区。这样，就释放了移位寄存器用于接收下一个数据。必须在下一个字符完全移入之前从数据寄存器中读出接收到的数据。否则，将丢失前一个数据。,SPI模块配置及时序-写冲突,SPI模块配置及时序-数据模式时
19、序,通过时钟相位控制位CPHA，允许用户设置采样和改变数据的时钟边沿。此外，时钟极性比特控制位CPOL，允许用户设置时钟的极性。从后面图中可以看出：当CPOL为0时，在空闲状态下，SCLK为低电平；当CPOL为1时，在空闲状态下，SCLK为高电平。,SPI模块配置及时序-数据模式时序,CPHA为0时从模式数据传输时序图,SPI模块配置及时序-数据模式时序,CPHA为1时从模式数据传输时序图,SPI模块配置及时序-数据模式时序,CPHA为0时主模式数据传输时序图,SPI模块配置及时序-数据模式时序,CPHA为1时主模式数据传输时序图,SPI模块设计实例-系统控制电路原理,在STC学习板上，为了减
20、少控制7段数码管所使用的引脚的数目，使用两片74HC595对7段数码管进行控制。其中一片74HC595用于产生控制8个7段数码管的管选信号COM1COM8；另一片74HC595用于为每个数码管产生段控制信号AH，其中一个信号用于控制显示小数点。与七段数码管连接的信号线，分别通过8个电阻进行限流。74HC595器件提供了SPI接口，与单片机上的P4.3/SCLK、P5.4/SS和P4.0/MOSI引脚连接在一起。,从下图可以看出，实现设计目标的关键是掌握7段数码管和74HC595的工作原理。,SPI模块设计实例-系统控制电路原理,SPI模块设计实例-7段数码管原理,单个共阴极七段数码管控制原理7
21、段数码管亮灭控制的最基本原理就是当有电流流过7段数码管a、b、c、d、e、f、g的某一段时，该段就发光。,SPI模块设计实例-7段数码管原理,Va-V公共端VTH时，a段灭；否则，a段亮。Vb-V公共端VTH时，b段灭；否则，b段亮。Vc-V公共端VTH时，c段灭；否则，c段亮。Vd-V公共端VTH时，d段灭；否则，d段亮。Ve-V公共端VTH时，e段灭；否则，e段亮。Vf-V公共端VTH时，f段灭；否则，f段亮。Vg-V公共端8; /TIMS写入定时器0高8位寄存器TH0 TL1=TIMS1; /TIMS1写入定时器1低8位寄存器TL1 TH1=TIMS18; /TIMS1写入定时器1高8位
22、寄存器TH1 AUXR /定时器0和1是12分频,SPI模块设计实例-程序具体实现,AUXR1=0x08; /将SPI接口信号线切换到第3组引脚上 TMOD=0x00; /定时器0/1，16位重加载定时器模式 TR0=1; /启动定时器0 TR1=1; /启动定时器1 ET0=1; /允许定时器0溢出中断 ET1=1; /允许定时器1溢出中断 EA=1; /CPU允许响应中断请求 while(1) /无限循环 if(flag=1) /如果flag为1，表示定时器0中断,SPI模块设计实例-程序具体实现, flag=0; /将flag标志清零 for(i=0;i8;i+) /轮流导通7段数码管，需要8次 seg7scan(i,(m+i)%16); /控制其中一个数码管，送管选和段码 /（m+i）%16为了控制每个7段数码管 /上显示的数字 ,SPI模块设计实例-程序具体实现,
