SPI通讯主从机程序实现(软件模拟和硬件)
前言
写这篇文章算是抛砖引玉，希望有更多人来写，虽然可能理解不到位，但是如果能多些人一起讨论，形成氛围是有好处的，工程人员是国家的刚需，哪个行业不行了理工科总有口饭吃，相应的代价就是枯燥、烦躁，聪明人不一定坐得住，能多一个算一个吧。
关于后面的实现，我使用的是SN8F5702--主机--模拟/软件SPI、SN8F5909芯片--从机--硬件SPI，其他的实现方式可能有芯片特性的区别，不一定适用。
基础知识
SPI基础知识：常见4条线，MOSI、MISO、STE、CLK这4个，M是master主机，S是Slave从机，I是Input，O是Out，主机的输出就是从机的输入方向。SS是片选信号，还有STE，SSN的叫法，选择你通讯的对象，一般信号拉低时选择器件，拉高时SPI不通讯。CLK-clock，和IIC一样用这个信号来做到数据同步。SPI占用IO口多，速度也是最快的，它的限制是看你使用器件中最低的那一个，就像CPU的频率可以很快，但是他的外设达不到那个速度往往要分频降频来输入外设。
硬件部分
关于程序实现的思路和需求，我们从硬件讲起，做单片机的都是先硬件后软件，千万不要因为不擅长怕硬件就不去想，这样容易踩坑和走弯路，软件设计基于硬件之上，很多时候你发现效果不一样是忽略了硬件、手册的结果，就像用家电不看厂家手册一样，都是坏习惯。
硬件需求：我测试过的实现方式是SN8F5702是主机，SN8F5909做从机，主机GPIO口配置MOSI、CLK、SS推挽输出，MISO输入，从机就反过来MOSI、CLK、SS输入，MISO输出。
我上面这个配置是因为主从机用同系列CPU来做的，电气特性都一致所以也可以，后来仔细想可以配的更好，如果是2个不同型号的CPU，用主机推挽输出不变，输入用内置上拉；从机开漏输出，浮空输入最好，这样做的好处是统一让主机提供电平，如果多个从机设备每个都推挽，那单片机可能会有各自的电平，会稍微影响稳定性。
用开漏输出加个上拉电阻应该也可以，开漏简单说就是只能IO输出低电平，高电平时本身不输出，需要外接电源上拉电阻来供电，推挽开漏不懂可以手册去具体了解，看看IO口实现的内部电路实现，每款CPU手册都有IO的硬件实现方式，没有考虑过这个问题还可以看看高电平、低电平的定义（比如0.3VDD以下为低，0.7VDD以上为高），然后在延伸了解下TTL RS232、RS485的电平特性（这是UART的），对电平的了解会进一步增长。
软件部分
程序是主机软件/模拟SPI，从机硬件SPI分别实现。
关于硬件xx的说法：硬件IIC、SPI是软件实现的，明明是要写程序的却叫硬件xx，因为从硬件上说这是厂家对CPU做好了集成电路，然后软件让用户通过特定寄存器来操作，所以这部分归纳在软件中，硬件xx是一种基于实现特性的叫法，相对的用户自己写流程就是软件/模拟xx，如软件SPI、软件IIC。
硬件xx和软件/模拟xx的优劣，两者性能上肯定是硬件强，但是硬件方式你如果用了不同系列/CPU，这部分就不可移植要重做 ，而软件方式反正都是GPIO做的，只要做好了移过去改改名字就能用，移植容易，至于使用哪种就看你的需求。
设计方式：轮询方式实现主从通讯是不用中断，让CPU来判断。中断方式的做法是不占用主程，设定进入中断的条件来打断原先流程。
配置部分：软件xx配置相应GPIO的输入输出、上下拉、模式，前面硬件有写。
硬件SPI具体要看手册，下面的一般都要有：
1.SPI模块和其他中断标志位等的使能（上面设计方式的区别，所以基本都用中断）
2.MSB和LSB：高位先出还是低位先出
3.数据个数：一次传输8bit还是16bit
4.CPOL(Clock polarity)和CPHA(Clock phase)：CPOL是时钟极性，就是空闲状态的电平是高还是低，CPHA是时钟相位，第1、还是第2个沿--捕获/采样/锁存/有效数据，附图（松瀚SN8F系列）：
理解及自己画时序图：高低电平空闲很容易理解，分别画2个clk，低-高-低和高-低-高，起始和最终状态就是初始电平。极性是采样的数据，把前面画好的clk*8个，上升下降沿画x代表电平变化，然后在中间划虚线代表采样时刻，先画有效电平后clk也行，数据采样的关键就是采样时刻要保持稳定，所以数据采样前半个clk准备好当前数据，后半clk准备下一个数据，SPI有双线收发，所以主从机可以同一时刻发收，软件实现的会慢一步，而硬件上升下降的速度快很多。
试着在不看上面的分析和时序图自己捋出来，这样映像会深很多，还有电气特性是硬件SPI的数据。
数据读写时机：关于发送读取时机我建议在电平前，发送的数据先准备好肯定没问题，读的时机要测试，有的芯片是会在发收完成后改回前面开始的状态的，所以也是放在之前应该也比较好，这个放在前面中间不要插入别的部分。
程序（整个工程后面链接发，这里只关注主机的软件模拟部分）：
相关定义
/********************SPI片选信号********************/
#define SPI_SSN_HIGH P03 = 1//片选拉高
#define SPI_SSN_LOW P03 = 0//片选拉低
/********************SPI时钟信号********************/
#define SPI_SCK_HIGH P13 = 1//时钟拉高
#define SPI_SCK_LOW P13 = 0//时钟拉低
/********************SPI MOSI数据********************/
#define SPI_MOSI_HIGH P14 = 1//MOSI数据拉高
#define SPI_MOSI_LOW P14 = 0//MOSI数据拉低
/********************SPI MISO数据********************/
#define SPI_MISO P15 //数据读取
CPOL=0，CPHA=0，发送模块
uint8_t SPISendRev(uint8_t SpiSendDate)
{
uint8_t i,j;
SPI_SSN_LOW;
SPI_SCK_LOW; //初始电平，确保数据发送时时钟是低电平
for(i=0;i<8;i++)
{
SPI_SCK_LOW;
if(SpiSendDate & 0x80) //输出数据转bit
SPI_MOSI_HIGH; //数据发送
else
SPI_MOSI_LOW;
SpiSendDate <<= 1; //输出后数据改变
SpiRecDat <<= 1; //接收数据后改变，8位数据7次移动
if(SPI_MISO == 1) //数据接收
SpiRecDat++;
SPI_SCK_HIGH; //拉高SCK信号触发从机发送
}
SPI_SCK_LOW;
SPI_SSN_HIGH;
return SpiRecDat;
}
CPOL=0，CPHA=1，发送模块
uint8_t SPISendRev(uint8_t SpiSendDate)
{
uint8_t i,j;
SPI_SSN_LOW;
SPI_SCK_LOW; //初始电平，确保数据发送时时钟是低电平
for(i=0;i<8;i++)
{
SPI_SCK_LOW;
if(SpiSendDate & 0x80) //输出数据转bit
SPI_MOSI_HIGH; //数据发送
else
SPI_MOSI_LOW;
SpiSendDate <<= 1; //输出后数据改变
SPI_SCK_HIGH;
SpiRecDat <<= 1; //接收数据后改变，8位数据7次移动
if(SPI_MISO == 1) //数据接收
SpiRecDat++;
}
SPI_SCK_LOW;
SPI_SSN_HIGH;
return SpiRecDat;
}
CPOL=1，CPHA=0，发送模块
uint8_t SPISendRev(uint8_t SpiSendDate)
{
uint8_t i;
SPI_SSN_LOW;
SPI_SCK_HIGH; //初始电平，确保数据发送时时钟是低电平
for(i=0;i<8;i++)
{
SPI_SCK_HIGH; //拉高SCK信号触发从机发送
if(SpiSendDate & 0x80) //输出数据转bit
SPI_MOSI_HIGH; //数据发送
else
SPI_MOSI_LOW;
SpiSendDate <<= 1; //输出后数据改变
SpiRecDat <<= 1; //接收数据后改变，8位数据7次移动
if(SPI_MISO == 1) //数据接收
SpiRecDat++;
SPI_SCK_LOW;
}
SPI_SCK_HIGH;
SPI_SSN_HIGH;
return SpiRecDat;
}
CPOL=1，CPHA=1，发送模块
uint8_t SPISendRev(uint8_t SpiSendDate)
{
uint8_t i;
SPI_SSN_LOW;
SPI_SCK_HIGH; //初始电平，确保数据发送时时钟是低电平
for(i=0;i<8;i++)
{
if(SpiSendDate & 0x80) //输出数据转bit
SPI_MOSI_HIGH; //数据发送
else
SPI_MOSI_LOW;
SpiSendDate <<= 1; //输出后数据改变
SPI_SCK_LOW; //拉高SCK信号触发从机发送
SpiRecDat <<= 1; //接收数据后改变，8位数据7次移动
if(SPI_MISO == 1) //数据接收
SpiRecDat++;
SPI_SCK_HIGH;
}
SPI_SCK_HIGH;
SPI_SSN_HIGH;
return SpiRecDat;
}
画好了时序图后就是GPIO模拟的程序写法,如上是CPOL=0和CPHA=0，需要特别关注CPHA=0--第一个沿采样，因为按前面说的发送数据是要等clk到来的，第一个沿却要先采集数据而clk还没来，怎么整？答案是从机在SSN片选信号下降沿之后一段时间就自己发送了。
该配置下主机第一CLK上升沿发收第1个数据，在第一CLK下降沿发第2个数据，后面每个CLK下降沿都发数据，因此实际在第七个CLK下降沿就发完了数据，第八个CLK上升沿从机接收完成。流程如下：
主机控制SSN拉低-从机MISO发数据-主机MOSI发数据-主机采样-主机CLK上升沿-从机采样-CLK拉低电平-进入下一流程主机MOSI发第二个数据
上面这个流程有人会发现，我写的主机没有等CLK上升沿到来就发收数据，然后CLK上升沿从机接收，只看主机就是上升沿后立即下降沿，CLK高低电平时间长短不一看着难受，这个就还要谈到芯片特性（我不清楚其他芯片是否这样），因为我测试中发现从机的MISO配置初始电平有影响，硬件的SPI会在发MISO数据的时候改变电平，接着再完成所有数据的时候--第七上升沿接收完成时，把电平改回去，我没有发现这个问题就把主机收MISO数据放在上升沿后，结果就是硬件SPI完成收发后把数据改回去，等于最后1bit没收到，表现出来就是根据数据会收发不到数据，假如你发的最后数据和MISO跳变开始前电平一致，这个数据就不会错，这个结论是示波器抓波形和程序改从机MISO初始电平测试的。
根据下面的测试，第一个CLK1.9us前MOSI开始发第1个数据，后续每个下降沿720ns后发数据，从机的MISO是第一个CLK3.4us前发第1个数据，后续每个下降沿160ns后发数据，SSN和MISO第一个CLK几乎同时跳变，硬件SPI的实现是从机使能SPI就向SPDAT写数据，而不是等SSN信号来了在写，会错位，自己写软件从机的话应该就要等一段时间的自动发送吧，模拟从机的程序需要测试后再说。
还有我试图做只有3线版本，MOSI、MISO和SSN的，但是只有CPHA=1才能用，是因为需要SSN信号来立即发送MISO吧，该配置会在第八个CLK完整发完后结束流程。
示波器测试：
黄色CLK，紫色MISO
黄色CLK，紫色MOSI
黄色CLK，紫色SSN
怎么知道自己对外设的了解程度：先弄个纯软件了解流程，然后用CPU自带的硬件再配置实现，就可以说完美的了解这部分，对多个CPU反复实现这个过程增加了解，最后上升的协议本身，当你从手册写的各种硬件、电气特性到软件程序你都应对自如，你就通关了。比如IIC三种模式的速度限制是100k，400k，3.4M是已经确定的，如果你去面试时说出你的IIC是10M、20M人家就会一脸无语。
软件和硬件实现的坑：软件/模拟xx因为流程可控，所以如果程序还有别的流程的话影响不小，要以测量为主--考虑程序框架、中断、其他影响问题并实测才能有具体结论，每个程序的目标和实现效果不一样，不可以想当然泛泛而谈，当你打算用其他人现成程序的时候，就要做好哪里出毛病的心里准备，因为其他人做的程序都是固定好了硬件、软件条件，发出来一般只会提到主要部分，中间觉得不重要的、忘记的过程就没有说，所以最好只做参考，特别是不要忽略硬件特性。
硬件xx中每个厂家的硬件实现、命名方式不一样，它的CPU手册会自带相关说明，框架图，操作方式，原理，寄存器，说到底用人家的制作就要受制于人，听人安排看人手册，注意使用的细节，漏细节的时候就要准备头疼好几天了，几幅图一堆文字、还有细节，要注意的实在太多，卡住的时候最好重新审视一下整体，细节问题还是认识有错误，不会两个都正确最后是流程问题吧？这个情况最好能联络原厂或者懂的人沟通一下。
其他
实现过程中个人遇见的错误及原因分析：
比起SPI的问题，我在调试过程中其他的情况反而比较多，费了挺久的。
1.SPI的使能放在GPIO后面，影响了波形
2.GPIO没等初始化的上拉完成就检测，限制条件没有起作用，对于写的程序没有去验证效果
3.SPI的数据写入放在SSN信号后面，导致数据写入不及时
从上面这些可以看出，我对GPIO缺少了解，GPIO就算配置了上拉也要有时间才能达到，2~7us内还在低电平，7~15s高电平到稳定，而我配置完就直接判断，因此需要增加延时等电平波动，还有SPI配置在GPIO之前，那多出了CLK就会影响数据发送。
我思考了一下一些SPI常见错误，SPI数据不正确，最后一位错位移位的，找不到规律，收到了自己发送的数据的情况，整理一下也许有人需要吧。
1.数据错位且无规律：没有写入数据或写入的时间不对
2.数据错1位：流程写错或写入数据的时间不对，芯片特性，就像我上面也有SPI发完数据返回发送前电平的芯片特性问题。
3.主机收到ff或00：从机没有响应--写入数据
4.收到自己发的数据：我是从机SPI使能，我的除了从机外设使能其他屏蔽了就是这个效果，没有向从机写入数据，那就要看GPIO的电平设置或者中间的改动了
SPI和IIC、UART的区别：这三者都属于串行通讯，一位一位的移数据，区别就是几条线，性质是数据还是时钟线？SPI是2数据线1时钟1片选，UART是2数据，这两否认数据都是一出一入，可以同时完成收发所以是全双工，IIC是1时钟1数据，一时间内不限定方向所以是半双工。SPI和UART都是一主多从，IIC是多主多从，这是分析软硬件的时结果。
当你分不清、记不住上面那些的时候，想想他们的软硬件区别，物理层的IO口，电气特性，软件实现的协议部分，程序流程：IO信号的输入输出及电平->时序图->程序，然后你能就很快的想起。
结尾
个人在黑厂做了几年工作，一直处于一个想学习但又害怕没有结果的茫然，最后通勤路上回到家就什么都不想干了的状态，知道方向想努力却又很模糊，掰了之后重新找工作的时候太菜被嫌弃了，就有种梦中惊醒的感觉，还好年轻可以努力，每隔一段时间应该会发一下技术学习心得来鞭策自己，状态允许的话尽量每天看文档学英语，各种模拟电子、硬件电路什么的也要补……
以上，理工科的切记：多去动手，实验室也好，自己买一些元器件、开发板、示波器也好，光看视频是没有长进的，这样做会让你在面试、工作的时候印象模糊和支支吾吾，想到了问题就去动手测试，然后多交流。只要肯动手去做就会前途大好，你我共勉！
程序链接：https://pan.baidu.com/s/19u8EiytQOib9g-uVSg3sNw?pwd=trz5
提取码：trz5
注意：程序有些注释对不上，还有CPOL=1和CPHA=1在测试中改过，下面的屏蔽去掉
//SPI_SSN_LOW;
//SPI_SSN_HIGH;
return SpiRecDat;
