STM32的SPI口的DMA读写[原创www.cnblogs.com/helesheng]

SPI是我最常用的接口之一,连接管脚仅为4根;在常见的芯片间通信方式中,速度远优于UART、I2C等其他接口。STM32的SPI口的同步时钟最快可到PCLK的二分之一,单个字节或字的通信时间都在us以下,因此大多数情况下我们会使用查询法控制SPI口的传输。但对于大量且连续的通信,再使用查询法就显得有些浪费CPU的时间,DMA控制SPI的读写显然成为一种不错的选择。

为DMA控制SPI批量数据读写的功能,参照官方代码编写的DMA控制SPI口在主/从两种模式下,读写数据的的代码,供各位网友直接使用或批评指正。先直接上我得到结论:

1、运用STM32的SPI口的DMA的功能,能够提升STM32与外设之间通信的速率和实时性。

2、但在STM32的SPI的主机模式下,DMA控制器无法自动产生片选CS信号,只能与无需同步CS信号的外设器件通信。为产生同步的CS信号,只能由软件控制SPI逐字发送,而DMA仅用于接收SPI数据,这样做的效率和不使用DMA时一样。

3、主模式下,软件控制片选CS信号和SPI读写时,存在至少50%的时间空隙,降低了其SPI通信的效率

4、STM32的SPI主机模式下,无法只使用DMA接收,而不发送。原因是没有触发SPI的DMA接收的信号。但SPI的发送可以是软件控制的逐字发送,也可以是DMA控制的连续发送。

5、STM32的SPI若要使用DMA方式,最合适的是让STM32工作在SPI的从模式,由外部主机(如FPGA)来控制通信的实时性和高速性。

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一、STM32做SPI主机(Master)时的DMA传输

STM32做SPI主机进行DMA通信时,尤其需要注意的是:不能单独使用SPI接收数据DMA,一定要配合SPI发送数据,DMA接收数据通道才能收到数据。道理很简单:STM32做主机时,如果不主动发送数据将无法产生时钟和片选等信号,亦无法在传输完成后触发DMA接收数据。但在使用时,这一点非常容易被忽视,从而造成DMA接收SPI数据通道DMA1CH2和DMACH4“不工作”。

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图1、STM32 DMA1各通道功能

 

具体来说,使用SPI口的DMA接收功能有两种配置方法:

1、SPI口的接收和发送各使用一个DMA通道

这样做最符合DMA控制大量数据连续发送和接收的设计初衷,此种情况下的SPI口和两个DMA通道的配置分别如下: 

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 1 RCC_APB2PeriphClockCmd(    RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE );      2 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;//PA5 6 7是SPI1的SCK MIOS MOSI  3 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出  4 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  5 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  6 GPIO_SetBits(GPIOA , GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);    //将其置位  7 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工  8 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;        //设置SPI工作模式:设置为主SPI  9 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;        //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构 10 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;        //空闲时时钟为低电平 11 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;    //数据捕获于第1个时钟沿 12 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;        //SPI_NSS_Hard;    ////NSS信号由硬件(NSS管脚)还是软件(使用SSI位)管理:内部NSS信号有SSI位控制 13 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;        //定义波特率预分频的值 14 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;    //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始 15 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;    //CRC值计算的多项式 16 SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器 17 SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI1外设

SPI的配置

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 1 RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);    //使能DMA传输  2 ///////以下配置DMA CH2用于接收SPI的DMA通道/////  3 DMA_DeInit(DMA1_Channel2);   //将DMA的通道1寄存器重设为缺省值  4 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&(SPI1->DR);  //DMA外设基地址  5 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)spi_rx_buff;  //DMA内存基地址  6 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;  //数据传输方向,从外设读取数据到内存  7 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = num;  //DMA通道的DMA缓存的大小  8 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  //外设地址寄存器不变  9 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  //内存地址寄存器递增 10 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;  //数据宽度为16位 11 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //数据宽度为16位 12 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;  //工作在正常模式 13 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh; //DMA通道 x拥有中优先级  14 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;  //DMA通道x没有设置为内存到内存传输 15 DMA_Init(DMA1_Channel2, &DMA_InitStructure);  //根据DMA_InitStruct中指定的参数初始化DMA的通道 16 ///////以下配置DMA的SPI发送通道/////////// 17 DMA_DeInit(DMA1_Channel3);   18 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&(SPI1->DR); //设置接收外设(0x4001300C) 地址(源地址) 19 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)spi_tx_buff;   //设置 SRAM 存储地址(源地址) 20 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;  //传输方向 内存-外设 21 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = num;  //设置 SPI1 接收长度 22 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址增量(不变) 23 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  //内存地址增量(变化) 24 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //外设传输宽度(字节) 25 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //内存传输宽度(字节) 26 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; //传输方式,一次传输完停止,不重新加载 27 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; //DMA优先级 28 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;   //内存到内存方式禁止 29 DMA_Init(DMA1_Channel3, &DMA_InitStructure);

收发两个DMA通道的配置

主程序中收发控制程序如下:

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 1 SPIx_Init();//SPI初始化  2 DMA_Config(256);//配置DMA对应的两个通道,数据深度设为256  3 SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Rx , ENABLE);  4 SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Tx , ENABLE);  5 while(1)  6 {  7     DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2,256);//必须在每次启动DMA之前设置  8     DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel3,256);//必须在每次启动DMA之前设置  9     DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);  //使能DMA所指示的通道  10     DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE);  //使能DMA所指示的通道  11     while(1) 12     { 13         if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2) != RESET)    //判断通道2传输完成 14         { 15             DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2);//清除通道2传输完成标志 16             break;  17         } 18     } 19     DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE);//禁止DMA  20     DMA_Cmd(DMA1_Channel3, DISABLE);//禁止DMA  21     delay_ms(1);     22 }

SPI主机DMA使用流程

这里我没有使用DMA中断,为的是验证代码的简单易懂;在实际使用时,建议读者使用中断以提高数据读写效率。另外,代码中值得注意的地方有:

1、    使用DMA传输之前,必须使能SPI发送和接收触发DAM传输请求,官方固件库中的函数分别为:SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Rx , ENABLE);和SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Tx , ENABLE);

2、    每轮DMA传输完成后,需在次启动一轮DMA传输之前,需要重新设置传输数据计数器:DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2,256);和DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel3,256);

另外,我在使用上述方法的时候,忽然发现一个致命的问题:如果使用DMA控制STM32作为SPI主机输出数据,那么谁来产生片选信号CS呢?后来尝试过将NSS(PA4——SPI1或PB12——SPI2)管脚配置给SPI口,并改由硬件来控制该管脚:  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Hard;结果发现均不奏效,也就是说:在SPI主模式下使用DMA发送,无法产生有效的片选CS信号!这无疑是致命的缺陷!——也许是我的理解不到位,请各位知道怎么解决这个问题的大神一定要高速我一下。(当然这一缺陷,对于无需在单次发送字节/半字之后给出片选CS信号的应用——如大容量SPI接口存储器,并不成其为问题。

无法在用DMA控制SPI发送时控制CS信号,我只好退而求其次:改由软件控制SPI发送,并同步产生CS信号。但这样做已经失去了DMA接收SPI的意义,因为软件控制SPI发送后,通信的速度和使用查询法是一样的!

2、SPI接收使用DMA控制,发送使用软件控制

尽管我认为发送使用软件控制后,DMA在接收中带来的好处已经基本丧失,但在这里仍然给出主程序中收发控制程序供读者参考。

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 1 SPIx_Init();  2 DMA_Config(256);//配置DMA的SPI通道,数据深度设为256  3 SPI_I2S_DMACmd(SPI1 , SPI_I2S_DMAReq_Rx , ENABLE);  4 delay_ms(300);  5 while(1)  6 {  7     while(n_interrupt != 0);//等到中断到来  8     while(n_interrupt == 0);//等到中断结束  9     DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2,256);//这部必须在每次启动DMA之前设置, 10     DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);  //使能DMA所指示的通道  11     for(k = 0 ; k < 256 ; k++) 12     { 13         CS = 0; 14         SPIx_ReadWrite16bit(0xaa55);//只使用了DMA接收SPI数据,但接收要由软件启动发送数据才能接收,此处只是随便发送了一个数据 15         CS = 1; 16     } 17     if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2)!=RESET)    //判断通道2传输完成 18         DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2);//清除通道2传输完成标志 19     DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE);//禁止DMA  20         //////////以下可以把数据传输走////////// 21          22     }

SPI主机,软件控制逐字发送,接收用DMA控制

可以看到,当由软件控制SPI发送后,就可以由软件产生和发送同步的片选CS了。但这样做与收发都采用查询法的效率几乎一样了。

特别的,当采用查询法直接控制SPI口的接收和发送时,硬件的读写和软件的指令总是存在较大时间空隙:向SPI数据寄存器SPI_DR写入数据到SPI实际发出数据之间存在至少200ns间隔;检测SPI状态寄存器SPI_SR中的TXE(发送缓冲区空位)时,TXE位的变化总是比实际发送完成晚至少200ns。例如上面的代码,函数SPIx_ReadWrite16bit();通过软件控制片选CS信号和SPI硬件的方式通信,下图是它所产生的CS信号(蓝)和SCK(黄),可以发现该函数用于发送的时间只占了实际耗费时间的一半以下,特别是当发送字长仅为8bits时,时间利用率真的是非常感人。

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查询法实现片选CS信号(蓝色)和SPI硬件产生的时序

 对于这样的实时性,我实在是不明白意法半导体的STM32设计师的初衷是什么。当然,也有可能是笔者才疏学浅,如果有大神知道,烦请转告,多谢!

二、STM32做SPI从机(Slave)时的DMA传输

当然用DMA读写SPI,更合理的方式是让STM32的SPI工作在从机模式,只要主机给出合理的片选CS、时钟SCK和数据MOSI/MISO信号,作为从机的STM32就能在DMA的支持下,实现高效、实时的数据接收。下面的代码中,我将SPI1配置为从机模式,用DMA1CH2接收数据。

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 1     /////// DMA CH2配置代码/////////  2 RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);    //使能DMA传输  3 DMA_DeInit(DMA1_Channel2);   //将DMA的通道1寄存器重设为缺省值  4 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&(SPI1->DR);  //DMA外设基地址  5 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)spi_rx_buff;  //DMA内存基地址  6 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;  //数据传输方向,从外设读取数据到内存  7 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = num;  //DMA通道的DMA缓存的大小  8 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  //外设地址寄存器不变  9 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  //内存地址寄存器递增 10 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;  //数据宽度为16位 11 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //数据宽度为16位 12 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;  //工作在正常模式 13 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh; //DMA通道 x拥有中优先级  14 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;  //DMA通道x没有设置为内存到内存传输 15 DMA_Init(DMA1_Channel2, &DMA_InitStructure);  //根据DMA_InitStruct中指定的参数初始化DMA的通道 16     /////// SPI1配置代码///////// 17 RCC_APB2PeriphClockCmd(    RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE );     18 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;//PA4 PA5 6 7是SPI1的CS SCK MIOS MOSI 19 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出 20 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 21 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 22 SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工 23 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Slave;        //设置SPI工作模式:设置为SPI从机 24 SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;        //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构 25 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;        //空闲时时钟为低电平 26 SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;    //数据捕获于第1个时钟沿 27 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;        //SPI_NSS_Hard;    ////NSS信号由硬件(NSS管脚)还是软件(使用SSI位)管理:内部NSS信号有SSI位控制 28 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;        //定义波特率预分频的值 29 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;    //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始 30 SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;    //CRC值计算的多项式 31 SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器

SPI从机DMA使用流程

主程序中,控制DMA和读取缓冲中的程序如下所示。这里为了代码的简单易懂,同样没有使用DMA中断,在实际使用时,建议读者使用中断以提高数据读写效率。

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 1 SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI1外设  2 DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2,256);//这部必须在每次启动DMA之前设置,  3 DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);  //使能DMA所指示的通道   4 while(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC2)==RESET);    //判断通道2传输完成  5 DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC2);//清除通道2传输完成标志  6 DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE);//禁止DMA   7 SPI_Cmd(SPI1, DISABLE); //禁止SPI,只在开启SPI时接收数据,防止主机不断发送  8 //////////以下可以把数据传输走//////////  9 for(i=0;i<256;i++) 10 data_repo_short[i] = spi_rx_buff[i]; 

SPI从机配置代码

下图是我用FPGA作为SPI主机产生的读写时序,可以看到此时SPI可以达到很高的通信效率。提高SCK的主频后,通信速度上限10Mbytes/S左右(主要受限于STM32的接收SCK频率)。

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FPGA产生的SPI主机时序,STM32做从机

 三、总结

STM32的SPI接口并不完美,仍然存在各种小问题,尤其是在SPI作为主机受DMA控制传输大量数据时,效率并不能得到很大提升。但当STM32的SPI作为从机时,DMA控制的数据传输,能够较大的提升数据常数效率。

 

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