MSP430单片机(六)——USCI-SPI模式

在墨水屏入门功能开发(一)中写到了SPI的应用，但对SPI并没有做深入的了解，正好借开发墨水屏的机会，从原理到墨水屏开发的实际应用来全面学习SPI。

SPI

SPI接口简介

SPI，是一种高速的，全双工(通信允许数据在两个方向上同时传输)，同步的通信总线，在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，为PCB的布局节省空间。主要应用与实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

SPI内部结构

SPI接口一般使用4条线通信：

MISO主设备数据输入，从设备数据输出；
MOSI主设备数据输出，从设备数据输入；
SCLK时钟信号，由主设备产生；
CS从设备片选信号，由主设备控制。

MISO做主机时作为输入，作为从机时作为输出，MOSI则相反。

例：移位寄存器A数据为 10101010 ，移位寄存器B为 01010101 ，若进行信息传输，移位寄存器A作为主机，B作为从机，移位寄存器A的最高位“1”移至移位寄存器B的最高位，B的数据左移，将末位的 0 移至移位寄存器A。最终，移位寄存器A的数据变为 01010101，B的数据变为 10101010，实现了两个寄存器数据的互换。

移位寄存器在进行数据传输时，主机给从机传输N个字节，从机也会给主机传输回N个字节。所以SPI会有read()和write()函数，这是因为寄存器在进行字节传输时同时有接受和发送。

SPI工作原理总结

​ ① 硬件上为四根线；
​ ② 主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI传销寄存器写入一个字节来发起一次传输；
​ ③ 串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机，这样，两个移位寄存器中的内容就被交换；
​ ④外设的写操作和读操作是同步完成的，如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。

SPI特征

• 3线全双工同步传输
• 8位或者16位传输帧格式选择
• 主或从操作
• 支持多主模式
• 可编程的时钟极性和相位
• 可编程的数据顺序，MSB在前或者LSB在前
• 可触发终端的专用发送和接受标志
• SPI总线忙状态标志
• 支持可靠通信的硬件CRC
  • 在发送模式下,CRC的值可以作为最后一个字节发送
  • 在全双工模式中对接收到的最后一个字节自动进行CRC校验
• 支持DMA功能的1字节发送和接受缓冲器，产生发送和接受请求

时钟信号的相位和极性

在墨水屏的开发中，数据采样和时钟沿是绕不开的一个点，这两点与CPOL时钟极性和CPHA时钟相位的组合有关。

SPI CR寄存器的CPOL和CPHA位，能够 0 1 组合成四种可能的时序关系。CPOL(时钟极性)位控制在没有数据传输时时钟的空闲状态电平，此位对主模式和从模式下的设备都有效。如果CPOL被清 0 ，SCK引脚在空状态保持低电平；如果CPOL被置 1 ，SCK引脚在空闲状态保持高电平。如果CPHA(时钟相位)位被置 1，SCK时钟的第二个边沿(CPOL位为0时就是下降沿，CPOL位为 1 时就是上升沿)进行数据位的采样，数据在第二个时钟边沿被锁存。如果CPHA位被清 0，SCK时钟的第一边沿(CPOL位位‘0’时就是下降沿，CPOL位为 1 时就是上升沿)进行数据位采样，数据在第一个时钟边沿被锁存。

以表格形式总结以上文字：

CPHA	CPOL	采样时刻	SCK时钟
1	0	第二个时钟沿	上升沿
1	1	第二个时钟沿	下降沿
0	1	第一个时钟沿	下降沿
0	0	第一个时钟沿	上升

状态标志

应用程序通过3个状态标志可以完全监控SPI总线的状态。

发送缓冲器空闲标志(TXE)

此标志为“1”时表明发送缓冲器为空，下一个待发送的数据可进入缓冲器中。当写入SPI_DR时，TXE标志被清除。

接收缓冲器非空(RXNE)

此标志位为“1”时表明在接收缓冲器中包含有效的接收数据。读SPI数据寄存器可以清除此标志。

忙(BUSY)标志

BUSY标志由硬件设置与清除(写入此位无效果)，此标志表明SPI通信层的状态。

SPI中断

中断事件	事件标志	使能控制位
发送缓冲器空标志	TXE	TXEIE
接收缓冲器非空标志	RXNE	RXNEIE
主模式失效事件	MODF	ERRIE
溢出错误	OVR	ERRIE
CRC错误标志	CRCERR	ERRIE

USCI-SPI 模式

USCI-SPI模式简介

在同步模式下，USCI通过三个或四个引脚将设备连接到外部系统： UCxSIMO， UCxSOMI， UCxCLK 和 UCxSTE 。 当 UCSYNC位置1时选择SPI模式，并通过 UCMODEx位选择SPI模式（3针或4针）。

在SPI模式下，串行数据通过主机提供的共享时钟由多个设备发送和接收。提供了一个额外的引脚UCxSTE，以使设备能够接收和发送数据，并由主机控制。

三个或四个信号用于SPI数据交换：

• UCxSIMO 从机输入，主机输出主机模式： UCxSIMO 是数据输出线。从模式： UCxSIMO 是数据输入线。
• UCxSOMI 从机输出，主机处于主机模式： UCxSOMI 是数据输入线。从模式： UCxSOMI 是数据输出线。
• UCxCLK USCI SPI时钟主模式： UCxCLK 是输出。从模式： UCxCLK 是输入。
• UCxSTE 从机发送使能。在4引脚模式下使用，以允许单个总线上有多个主机。在3针模式下不使用。见表17-1。

UCMODEx	UCxSTE Active State	UCxSTE	Slave	Master
01	High	0	Inactive	Active
		1	Active	Inactive
10	Low	0	Active	Inactive
		1	Inactive	Active

主从模式

主机模式：

要在主机模式下将数据接收到 USCI，必须将数据写入 UCxTXBUF ，因为接收和发送的操作是同时进行的。

看图说话，工作流程如下：

数据移至 Transmit Buffer UCxTXBUF(TX数据缓冲区) ，USCI 启动数据传输 -> 数据被发送至 Transmit Shift Register(TX移位寄存器) -> 从 MSB 或 LSB 开始在 UCxSIMO 上启动数据传输 -> 数据进入 Data Shift Register(DSR) 之后通过 UCxSOMI 将数据传至 Receive Shift Register(RX移位寄存器) -> 数据被传至 Receive Buffer UCxRXBUF ，同时接收中断标志 UCRXIFG 被置位(指示RX/TX操作已完成)

UCxSTE 的作用是防止与另一个主机冲突：

主机在SET为高电平时正常操作，SET为低电平时(另一台设备申请成为主机)，当前主机驱动总线的MOSI和UCLK的引脚变为输入；

如果在主机被 UCxSTE 保持非活动状态时将数据写入 UCxTXBUF ，则一旦 UCxSTE 转换为主机活动状态，就会立即发送数据；

如果主机在活动状态被 UCxTXBUF 转换为非活动状态导致了传输终止，则必须将数据重写到 UCxTXBUF 中， UCxSTE 转换回主机活动状态时将重新进行传输

从机模式：

工作流程如下：

在 UCxCLK 之前，数据被写入 UCxTXBUF -> 送至 TX Shift Register -> 在 UXcSOMI 上传输至 DSR -> 接收到设置的位数后，数据经 UCxSIMO 移至相对边缘的 RX Shift Register -> 最后送入 UCxRXBUF -> UCRXIFG 中断标志被置1，数据接收完成。

UCxSTE 的作用是当作发送和接受允许信号：

当SET为1时该从机禁止发送和接受数据；

注：1. UCxCLK 用作 SPI 时钟的输入，必须由外部主机提供，传输速率由该时钟决定而不由内部时钟发生器决定；2.若新数据移至 UCxRXBUF 之前没有将其中的旧数据读取的话，将会导致溢出错误位UCOE

寄存器

USCI_Ax Control Register 0 (UCAxCTL0)

USCI_Bx Control Register 0 (UCBxCTL0)

USCI_Ax Control Register 1 (UCAxCTL1)

USCI_Bx Control Register 1 (UCBxCTL1)

USCI_Ax Bit Rate Control Register 0 (UCAxBR0) / USCI_Ax Bit Rate Control Register 0 (UCAxBR0)

USCI_Ax Bit Rate Control Register 1 (UCAxBR1) / USCI_Bx Bit Rate Control Register 1 (UCBxBR1)

程序

SPI初始化：

#define HAL_EPAPER_SPI_PRESCALER 	((uint8)(HAL_CPU_CLOCK_MHZ / 8.1) + 1)
void SPI_INIT(void)
{
    UCB1CTL1 = UCSSEL1 | UCSWRST;              //SMCLK、启用软复位
    UCB1CTL0 = UCCKPL | UCMSB | UCMST | UCSYNC; //时钟极性高、MSB优先、UCMODE同步模式、同步模式打开
    UCB1BR0 = HAL_EPAPER_SPI_PRESCALER;         //设置频率
    UCA0BR1 = 0;                                //
    UCB1CTL1 &= ~UCSWRST;                       //关闭软复位
}        

管脚初始化：

void IO_Init(void)
{
    P2DIR &= ~BIT1; //LBUSY
	P2REN |= BIT1;
    P2OUT &= ~BIT1; //BUSY引脚上拉电阻
    P2DIR |= BIT3;  //RESET
    P3DIR |= BIT6;  //LCS
    P5DIR |= BIT4;  //LDC
    P5SEL |= BIT5;  //LSCK
    P3SEL |= BIT7;  //LSDA

    HAL_EPAPER_SPI_INIT();
}