【主题】：详细解析FPGA与STM32的SPI通信（一）

【作者】：LinCoding

【时间】：2016.11.26

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      昨天把SPI彻底的又搞了一遍，感觉之前学STM32时学的SPI只是皮毛，这次学习FPGA时候，才真正算是把SPI吃透了。

      As we all know, SPI有四种模式，但是STM32与FPGA通信的话推荐使用SPI_CPOL_Low和SPI_CPHA_1Edge这个模式，也就是时钟信号线空闲为低，上升沿采样，因为这样更加适合FPGA进行处理。

      使用SPI要注意以下几点：

      1、时钟和片选是由主机提供，从机只负责接收。

      2、对STM32来说，片选可选用硬件或软件，具体有什么区别请看数据手册。

      3、SPI的通信速率不能太快，否则数据会出错。

      4、如果进行双工通信的话，主机必须在发送完数据后多发送一个8位数据，笔者通常发送0xFF，这样从机才能将最后一个有效数据发过来，具体原因请百度，不多解释。

       先说第一点和第二点：    

 主机给从机发数据进行单工通信的话很简单，因为时钟和片选是由主机提供的。

      但是，从机给主机发数据进行单工通信的时，由于时钟和片选是由主机提供的，主机并不知道从机什么时候给主机发，也就不知道什么时候给从机提供时钟信号和片选信号，当然了，也不会知道从机什么时候已经发完数据，什么时候停止提供时钟信号和片选信号。那这该怎么办？

 同样，如果是双工通信，且从机所发的数据比主机数量多，主机发完以后如果停止提供片选和时钟信号的话，从机剩余的数据就无法传送过来，那这又该怎么办？

       笔者想到了一个解决办法，就是增加一根从机与主机的连线，普通IO口即可，这根线平时为高，当从机准备向主机发数据时，把这根线拉低，主机检测到这根线拉低，则提供片选和时钟信号，当从机发完数据以后，把这根线拉高，主机检测到这根线拉高，则主机停止提供片选和时钟信号线。

       这样就完美的解决了这一问题。

       再说第三点，速率问题：

       对STM32来说，笔者使用的是SPI2，而SPI2硬件是挂在APB1总线上，也就是36Mhz低速外设总线，这样根据硬件的设定，速率可以在以下这四种中进行选择，

SPI_BaudRatePrescaler_2   2分频   -- 18Mhz
SPI_BaudRatePrescaler_8   8分频   -- 4.5Mhz
SPI_BaudRatePrescaler_16  16分频  -- 2.25Mhz
SPI_BaudRatePrescaler_256 256分频 -- 140.625Khz

 但是要注意，速率太快会出错！笔者FPGA使用100Mhz速率，按说可以采样到18Mhz的数据，但是，当STM32的SPI设置为18Mhz时会出错，4.5Mhz及以下均没有问题。当笔者将FPGA提高到200Mhz时，SPI的18Mhz仍然不行，因此笔者怀疑，频率太高的话对布局布线要求较高，而笔者采用的是杜邦线进行连接，应该是使用杜邦线不能满足那么高频率的要求。

       好了，基本上就是上面四个注意点，剩下的就是时序问题了，下面开始解析整个系统的程序：

       STM32的程序相对简单，那就先说STM32的程序吧。

void SPI2_Init(void)
{
 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_SPI2,  ENABLE);	
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_12;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOB

	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);   //CS
	GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13); //SCK
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_14);   //MISO
	GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_15); //MOSI
	
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;		
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;		
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
	SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure); 
	SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8);
	SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); 
}

笔者使用的是原子的例程，使用库函数进行配置是很简单的，注意的是，STM32设置为SPI_Mode_Master，SPI_DataSize_8b，SPI_CPOL_Low，SPI_CPHA_1Edge，SPI_NSS_Soft，还有就是SPI_FirstBit_MSB，这样就OK了！

int main(void)
{	 
	u8 i = 0;
	u8 dataTemp;
	delay_init();	    	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	uart_init(9600);	 	
	LED_Init();		  		
	SPI2_Init();	 

	while(1)
	{
		for ( i=0; i < 255; i++ )
		{
			dataTemp = SPI2_ReadWriteByte(i); 
			printf("%d\r\n",dataTemp);
			delay_ms(100);
		}
		dataTemp = SPI2_ReadWriteByte(0xFF);
		printf("%d\r\n",dataTemp);
		delay_ms(100);
	}
}

主函数中就是循环发送0~255，并且接收FPGA发来的数据，打印到串口进行显示。可以看到我在发送完数据以后，特地多发了一个0xFF。

 笔者用示波器将STM32发出的数据抓了一下，见下图：

 为了图片好看，使用STM32只发送了一个0xAA，笔者采用了SPI_BaudRatePrescaler_256 256分频 -- 140.625Khz，可以看到示波器抓到的频率为140.5Khz，没差多少，数据是10101010也就是0xAA啦，下一步，就是使用FPGA模仿这个时序了。

由于内容太多，剩余的内容请看——详细解析FPGA与STM32的SPI通信（二）