基于MSP430G2553的SPI串行协议.docx
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基于MSP430G2553的SPI串行协议
基于MSP430G2553的SPI串行协议
一、概述.
SPI,SerialPerripheralInterface,串行外围设备接口,是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术.SPI总线在物理上是通过接在外围设备微控制器（PICmicro）上面的微处理控制单元（MCU）上叫作同步串行端口（SynchronousSerialPort）的模块（Module）来实现的,它允许MCU以全双工的同步串行方式,与各种外围设备进行高速数据通信.
SPI主要应用在EEPROM,Flash,实时时钟（RTC）,数模转换器（ADC）,数字信号处理器（DSP）以及数字信号解码器之间.它在芯片中只占用四根管脚（Pin）用来控制以及数据传输,节约了芯片的pin数目,同时为PCB在布局上节省了空间.正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片上都集成了SPI技术.
二、特点
1.采用主-从模式（Master-Slave）的控制方式
SPI规定了两个SPI设备之间通信必须由主设备（Master）来控制次设备（Slave）.一个Master设备可以通过提供Clock以及对Slave设备进行片选（SlaveSelect）来控制多个Slave设备,SPI协议还规定Slave设备的Clock由Master设备通过SCK管脚提供给Slave设备,Slave设备本身不能产生或控制Clock,没有Clock则Slave设备不能正常工作.
2.采用同步方式（Synchronous）传输数据
Master设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲（ClockPulse）,时钟脉冲组成了时钟信号（ClockSignal）,时钟信号通过时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）控制着两个SPI设备间何时数据交换以及何时对接收到的数据进行采样,来保证数据在两个设备之间是同步传输的.
3.数据交换（DataExchanges）
SPI设备间的数据传输之所以又被称为数据交换,是因为SPI协议规定一个SPI设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个"发送者（Transmitter）"或者"接收者（Receiver）".在每个Clock周期内,SPI设备都会发送并接收一个bit大小的数据,相当于该设备有一个bit大小的数据被交换了.
一个Slave设备要想能够接收到Master发过来的控制信号,必须在此之前能够被Master设备进行访问（Access）.所以,Master设备必须首先通过SS/CSpin对Slave设备进行片选,把想要访问的Slave设备选上.
在数据传输的过程中, 每次接收到的数据必须在下一次数据传输之前被采样.如果之前接收到的数据没有被读取,那么这些已经接收完成的数据将有可能会被丢弃, 导致SPI物理模块最终失效.因此,在程序中一般都会在SPI传输完数据后,去读取SPI设备里的数据,即使这些数据（DummyData）在我们的程序里是无用的.
三、工作机制
1.概述
2011-03-1216:
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上图只是对SPI设备间通信的一个简单的描述,下面就来解释一下图中所示的几个组件（Module）:
SSPBUF,SynchronousSerialPortBuffer,泛指SPI设备里面的内部缓冲区,一般在物理上是以FIFO的形式,保存传输过程中的临时数据;
SSPSR,SynchronousSerialPortRegister,泛指SPI设备里面的移位寄存器（ShiftRegitser）,它的作用是根据设置好的数据位宽（bit-width）把数据移入或者移出SSPBUF;
Controller,泛指SPI设备里面的控制寄存器,可以通过配置它们来设置SPI总线的传输模式.
通常情况下,我们只需要对上图所描述的四个管脚（pin）进行编程即可控制整个SPI设备之间的数据通信:
SCK,SerialClock,主要的作用是Master设备往Slave设备传输时钟信号,控制数据交换的时机以及速率;
SS/CS,SlaveSelect/ChipSelect,用于Master设备片选Slave设备,使被选中的Slave设备能够被Master设备所访问;
SDO/MOSI,SerialDataOutput/MasterOutSlaveIn,在Master上面也被称为Tx-Channel,作为数据的出口,主要用于SPI设备发送数据;
SDI/MISO,SerialDataInput/MasterInSlaveOut,在Master上面也被称为Rx-Channel,作为数据的入口,主要用于SPI设备接收数据;
SPI设备在进行通信的过程中,Master设备和Slave设备之间会产生一个数据链路回环（DataLoop）,就像上图所画的那样,通过SDO和SDI管脚,SSPSR控制数据移入移出SSPBUF,Controller确定SPI总线的通信模式,SCK传输时钟信号.
2.Timing.
2011-03-1513:
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上图通过Master设备与Slave设备之间交换1Byte数据来说明SPI协议的工作机制.
首先, 在这里解释一下两个概念:
CPOL:
时钟极性,表示SPI在空闲时,时钟信号是高电平还是低电平.若CPOL被设为1,那么该设备在空闲时SCK管脚下的时钟信号为高电平.当CPOL被设为0时则正好相反.
CPHA:
时钟相位,表示SPI设备是在SCK管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样,还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样.若CPHA被设置为1,则SPI设备在时钟信号变为下降沿时触发数据采样,在上升沿时发送数据.当CPHA被设为0时也正好相反.
上图里的"Mode1,1"说明了本例所使用的SPI数据传输模式被设置成CPOL=1,CPHA=1.这样,在一个Clock周期内,每个单独的SPI设备都能以全双工（Full-Duplex）的方式,同时发送和接收1bit数据,即相当于交换了1bit大小的数据.如果SPI总线的Channel-Width被设置成Byte,表示SPI总线上每次数据传输的最小单位为Byte,那么挂载在该SPI总线的设备每次数据传输的过程至少需要8个Clock周期（忽略设备的物理延迟）.因此,SPI总线的频率越快,Clock周期越短,则SPI设备间数据交换的速率就越快.
3.SSPSR.
2011-03-1216:
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SSPSR是SPI设备内部的移位寄存器（ShiftRegister）.它的主要作用是根据SPI时钟信号状态,往SSPBUF里移入或者移出数据,每次移动的数据大小由Bus-Width以及Channel-Width所决定.
Bus-Width的作用是指定地址总线到Master设备之间数据传输的单位.
例如,我们想要往Master设备里面的SSPBUF写入16Byte大小的数据:
首先,给Master设备的配置寄存器设置Bus-Width为Byte;然后往Master设备的Tx-Data移位寄存器在地址总线的入口写入数据,每次写入1Byte大小的数据（使用writeb函数）;写完1Byte数据之后,Master设备里面的Tx-Data移位寄存器会自动把从地址总线传来的1Byte数据移入SSPBUF里;上述动作一共需要重复执行16次.
Channel-Width的作用是指定Master设备与Slave设备之间数据传输的单位.与Bus-Width相似, Master设备内部的移位寄存器会依据Channel-Width自动地把数据从Master-SSPBUF里通过Master-SDO管脚搬运到Slave设备里的Slave-SDI引脚,Slave－SSPSR再把每次接收的数据移入Slave-SSPBUF里.
通常情况下,Bus-Width总是会大于或等于Channel-Width,这样能保证不会出现因Master与Slave之间数据交换的频率比地址总线与Master之间的数据交换频率要快,导致SSPBUF里面存放的数据为无效数据这样的情况.
4.SSPBUF.
2011-03-1217:
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我们知道,在每个时钟周期内,Master与Slave之间交换的数据其实都是SPI内部移位寄存器从SSPBUF里面拷贝的.我们可以通过往SSPBUF对应的寄存器（Tx-Data/Rx-Dataregister）里读写数据,间接地操控SPI设备内部的SSPBUF.
例如,在发送数据之前,我们应该先往Master的Tx-Data寄存器写入将要发送出去的数据,这些数据会被Master-SSPSR移位寄存器根据Bus-Width自动移入Master-SSPBUF里,然后这些数据又会被Master-SSPSR根据Channel-Width从Master-SSPBUF中移出,通过Master-SDO 管脚传给Slave-SDI管脚, Slave-SSPSR则把从 Slave-SDI接收到的数据移入Slave-SSPBUF里. 与此同时,Slave-SSPBUF里面的数据根据每次接收数据的大小（Channel-Width）,通过Slave-SDO发往Master-SDI,Master-SSPSR再把从Master-SDI接收的数据移入Master-SSPBUF.在单次数据传输完成之后,用户程序可以通过从Master设备的Rx-Data寄存器读取Master设备数据交换得到的数据.
VoidUART_init（）
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD；
P1SEL|=0x06；//I/O口的功能寄存器配置。
为1时作为模块输出或者输出，0为端口输入或者输出。
配置P1.1，P1.2为串行口。
P2DIR=0x04；//串口发送端为输出，串口接收端为输入。
0为输入，1为输出
U0CTL|=CHAR; //配置控制寄存器，数据类型为8位。
U0TCTL|=SSEL0； //选择时钟UCLK=ACLK。
U0BR0=0x45； //分频系数的高8位，8MHz时钟下波特率为115200
U0BR1=0x00； //分频系数的低8位。
U0MCTL=0x00； //波特率的调整。
U0CTL&=~SWRST； //系统复位。
只有对SWRST复位，USART才能重新被允许。
而接收和发送允许标志URXE和UTXE不会因SWRST而更改。
ME1|=UTXE0+URXE0； //使能USART0TXD/RXD模块USART中特有的使能配置。
IE1|=URXIE0； //使能USART0接收中断
_EINT（）；//开启全部中断。
_BIS_SR（LPM0_bits+GIE）； //初始化完毕，进入睡眠状态。
等待工作。
该程序直接调用。
}
发送数据函数：
__interruptvoidusart0_rx（void）
{
while（!
（IFG1&UTXIFG0））; //判断发送缓冲区是否为空。
TXBUF0=RXBUF0; //将数据发送到串口。
}
二、SPI模式
USTAR下的SPI模式有如下特点：
1、SPI模式支持3线和4线模式；
2、支持主机与从机模式；
3、接受和发送有各自独立的发送移位寄存器和缓冲器；
4、接受和发送都有独立的中断能力；
5、移位时钟的极性和相位可编程；
6、字符长度可以是7位或者8位。
SPI工作在全双工下，即主机发送的同时也接收数据，传输的速率由编程决定。
4线SPI模式用附加数据线，允许从机数据的发送和接收。
其信号如下：
SIMO：
从进主出，主机模式下，数据输出；从机模式下，数据输入。
SOMI：
从出主进，主机模式下，数据输入，从机模式下，数据输出。
UCLK：
USARTSPI模式时钟，信号有主机输出，从机输入。
CLK时钟只能由主机提供。
STE：
从机模式发送接收允许控制脚，用于4线模式。
（一）SPI初始化
SPI当中不需要波特率调整，所以UxMCTL=0x0000，SPI的初始化及其复位和UART公用一套寄存器。
在初始化或者重新配置USART的SPI时，必须按照以下顺序进行：
1、UxCTL寄存器的第0位SWRST置位；
2、在SWRST置位的条件下，初始化所有的SPI寄存器，包括UxCTL寄存器；
3、通过置位模块使能寄存器MEx的URXEx和UTXEx位使能SPI的接受和发送使能模块；
4、通过软件复位UxCTL寄存器的第0位SWRST；
5、通过中断使能寄存器IEx的URXIEx和UTXIEx来使能发送和接受中断。
voidmain（void）
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD； //关闭看门狗。
P1SEL|=0x07; //配置P1.0、P1.1、P1.2模块输出。
UCTL=CHAR+SYNC+MM； //工作模式以及数据格式的设置，CHAR为1时为8-bit，0时为7位，SYNC控制通讯模式，1为SPI模式，0为UART模式。
UTCTL=CKPL+STC+SSEL0+SSEL1； //置位SSEL0与SSEL1时钟的类型，11则为SMCLK；CKPL为时钟极性控制位，0时UCLKI信号
与UCLK信号极性相同，1时UCLKI信号与UCLK信号极性相反。
UBR0=0x02； //SPICLK=SMCLK/2，2分频。
波特率的设置。
UBR1=0x00；
UMCTL=0x00；//SPI通讯中，不需要使用波特率调整器。
UCTL&=~SWRST； //复位。
ME1|=USPIE0； //SIP模块接收与发送允许使能
IE1|=URXIE0+UTXIE0； //接收与发送中断使能
_BIS_SR（LPM4_bits+GIE）； //初始化完毕，进入睡眠模式
}
__interruptvoidSPI0_rx（void）
{
P1OUT=RXBUF0; //向P1OUT送入数据
}
__interruptvoidSPI0_tx（void）
{
unsignedinti;
i=P1IN;
i=i>>4;
TXBUF0=i; //数据发送。
}
三、寄存器及其功能
通信模块寄存器如下：
表3.1USART0的寄存器
寄存器
缩写
读写类型
地址
初始状态
控制寄存器
U0CTL
读/写
070H
PUC后001H
发送控制寄存器
U0TCTL
读/写
71H
PUC后001H
接收控制寄存器
U0RCTL
读/写
72H
PUC后000H
波特率调整控制寄存器
U0MCTL
读/写
73H
不变
波特率控制寄存器0
U0BR0
读/写
74H
不变
波特率控制寄存器1
U0BR1
读/写
75H
不变
接收缓冲器
U0RXBUF
读
76H
不变
发送缓冲器
U0TXBUF
读/写
77H
不变
SFR模块使能寄存器1
ME1
读/写
004H
PUC后000H
SFR模块使能寄存器1
IE1
读/写
000H
PUC后000H
SFR模块使能寄存器1
IFG1
读/写
002H
PUC后082H
（1）控制寄存器UxCTL
控制寄存器内的信息决定了USART的基本操作。
如：
选择通信协议、通信模式和校验位。
在SWRST复位使USART复位操作禁止前，各位应根据选择的模式进行编程。
表3.2发送控制寄存器UxCTL
位
含义
使用
7（PENA）
校验允许位
0：
校验禁止
1：
校验允许
6（PEV）
奇偶校验位
0：
奇校验
1：
偶校验
5（SP）
停止位选择
0：
1位停止位
1：
2位停止位
4（CHAR）
字符长度
0：
7位
1：
8位
3（LISTEN）
反馈选择
（选择是否发送数据由内部反馈给接收器）
0：
无反馈
1：
有反馈
2（SYNC）
USART模块的模式选择
0：
UART模式（异步）
1：
SPI模式（同步）
1（MM）
多机模式选择位
0：
线路空闲多机协议
1：
地址位多机协议
0（SWRST）
控制位（上电置位）
0：
USART禁止
1：
USART允许
（2）发送控制寄存器UxTCTL（未作说明的位未用）
寄存器UxTCTL控制与发送操作相关的USART硬件。
表3.3发送控制寄存器UxTCTL
位
含义
使用
7（CKPH）
时钟相位控制位
0：
正常UCLK时钟
1：
UCLK时钟延迟半个周期
6（CKPL）
时钟极性控制位
0：
UCLKI信号与UCLK信号极性相同
1：
UCLKI信号与UCLK信号极性相反
5（SSEL1）
时钟源选择
（确定波特率发生器的时钟源）
00：
外部时钟UCLKI
01：
辅助时钟ACLK
10：
子系统时钟SMCLK
11：
子系统时钟SMCLK
4（SSEL0）
1（STC）
发送控制位
0：
SPI为4线模式
1：
SPI为3线模式
0（TXEPT）
发送器空标志，在异步模式与同步模式时是不一样的
0：
正在传输数据或者发送缓冲器（UTXBUF）有数据
1：
表示发送移位寄存器和UTXBUF空或者SWRST=1
（3）接收控制寄存器URCTL
URCTL控制与接收操作相关的USART硬件并保存由最新写入URXBUF的字符引起的出错状况和唤醒条件。
若FE、PE、OE、BRK、RXERR或RXWake中的任何一位置位，通过接收下一个字符不能使其复位。
它们的复位要通过访问接收缓存URXBUF、USART的软件复位SWRST、系统复位PUC或用指令修改。
表3.4接收控制寄存器URCTL
位
含义
使用
7（FE）
帧错误标志位
0：
无帧错误
1：
有帧错误
6（PE）
校验错误标志位
0：
校验正确
1：
校验错误
5（OE）
溢出标志位
0：
无溢出
1：
有溢出
4（BRK）
打断检测位
0：
未打断
1：
打断
3（URXEIE）
接收出错中断允许位
0：
禁止中断，不接收出错字符，不改变URXIFG标志
1：
允许中断，接收出错字符，置位URXIFG标志
2（URXWIE）
接收唤醒中断允许位
0：
接收的所有字符都能够置位URXIFG
1：
只有接收到地址字符才置位URXIFG
1（RXWake）
接收唤醒检测位
0：
未被唤醒，接收到的字符是数据
1：
唤醒，接收的字符是地址
0（RXERR）
接收错误标志位
0：
未接收到错误
1：
接收到错误
在各种条件下URXEIE和URXWIE对URXIFG的影响：
URXEIE
URXWIE
字符出错
地址字符
接收字符后的标志位URXIFG
0
X
1
X
不变
0
0
0
X
置位
0
1
0
0
不变
0
1
0
1
置位
1
0
X
X
置位（接收所有字符）
1
1
X
0
不变
1
1
X
1
置位
（4）波特率选择寄存器和调制控制寄存器
波特率产生器利用波特率选择寄存器UxBR1和UxBR0，以及调整控制寄存器UxMCTL，来产生串行数据流的位定时。
UxBR0、UxBR1这两个寄存器是用于存放波特率分频因子的整数部分，若波特率发生器的输入频率BRCLK不是所需波特率的整数倍，带有小数，则整数部分写入UxBR寄存器，小数部分则由调整寄存器UxMCT的内容反映。
波特率由以下公式计算：
波特率=BRCLK/（UBR+（M7+M6+…M0）/8）
寄存器各位如下：
位
寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
UxBR0
UxBR1
UxMCT
M7
M6
M5
M4
M3
M2
M1
M0
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