软件模拟SPI/软件模拟I2C的知识点汇总，绝对实用

趁着帮老师代上嵌入式实验课的机会，又重新熟悉了一遍stm32的通信协议：串口协议、SPI协议、I2C协议、RS485协议。大概半年前，是过了一遍的，但也只停留于读了遍代码，跑了下例程，最近又过了一遍（自己仔细的看了一遍，老师还给我们讲了一遍，自己又讲了一遍），然后还写了一遍软件模拟SPI、软件模拟I2C的代码，才彻底的懂了个皮毛 ，：）。稍微总结下吧，总结的不好，都是自己的理解，仅供参考，主要说软件模拟SPI、I2C，硬件SPI和硬件I2C就不说了。


串口协议
串口协议没什么可说的，现在常用的串口协议，是基于以前的RS232的协议，因为RS232的引脚太多而改进过来的。
物理层只用三根引脚：TXD、RXD、GND（最好接，不然有点影响），然后TXD接RXD、RXD接TXD、GND接GND（这里我第一次接错过的，所以写出来），通过有两个收发引脚就能看出，串口协议是支持全双工的;
协议层的话，就是起始信号（1个0表示）+数据包（5、6、7、8位可选）+校验位（无、0、1、奇、偶可选）+停止信号（0.5、1、1.5、2个1表示）。
串口协议，很常见，多用于打印调试信息，也比较简单；


RS485协议
RS485协议，协议层未改，只是在串口协议的物理层做了修改，外接了一个物理收发器，然后在通信双方的两条A、B线加了电阻，通过测A、B线的电压差来传送高低电平信号，所以485通信协议的特点就是抗干扰性强、传输距离远，可以组网。由于是通过A线、B线的电压差传输高低电平信号，所以是半双工的，同一时刻只能发送或者接收。物理连接方式：A线接A线，B线接B线。


如何理解半双工、全双工，我看到网上一个很好的例子可以帮助理解。就是说，把半双工通信比作是对讲机通信，全双工就是手机通信，对讲机同一时刻只能说或者是听，而手机是可以同时说、听的。


前面两个协议比较简单，而SPI协议、I2C协议稍微麻烦点，主要说一下。


SPI协议
SPI协议，多应用于ADC、DA、LCD等设备与MCU间，要求通信速率较高的场合。一般需要4根信号线，分别是MOSI、MISO、SCK、CS线。但是！敲黑板！有可能可以只用3根，当你通过SPI和DA设备通信的时候，MISO线就可以不要了，然后我们老师更夸张，说如果你只连一个DA设备的话，那么CS线也可以不要，这里我有点不敢苟同，因为毕竟片选线是控制通讯开始结束的，但这种思想是可取的了，规则是死的，人是活的，要活学活用，这里当时听到老师讲这点的时候还是有点震撼的。扯的有点远了。。。但其实，这里要说的软件模拟。


还是回到正题，接着说软件模拟SPI，当MCU的SPI外设不够用的时候，我们就会用GPIO去模拟SPI的方式，去和支持SPI的从设备通信。下面直接贴代码了，代码已经调通的了。我做的实验是用F429IGT6通过软件模拟SPI读写一款W25Q128的FLASH芯片，模拟的是模式3（CPOL=1,CPHA=1），有两点原因：①模式3的SCK空闲电平为高电平，由高电平向低电平翻转快，而且容易；②模式3在偶数边沿采样，防止第一个信号没采到。


首先，是GPIO的初始化，CS引脚、MOSI引脚、MISO引脚、SCK引脚。除了MISO引脚配成输入模式，其余三个引脚都配成输出模式（推挽输出）。


void SPI_FLASH_Init(void)
{
/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的（基本IO）结构体*/
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  
  /***** 使能 GPIO 时钟 *****/
       
/* 使能 FLASH_SPI引脚的GPIO时钟< SPI_CS; SPI_MOSI; SPI_MISO; SPI_SCK > （ F口 ）*/
  RCC_AHB1PeriphClockCmd( RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);


/* < 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: SCK; MISO; MOSI > */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7  | GPIO_Pin_9;       
/* 设置引脚模式为 SPI_5 复用功能*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
/* 设置引脚速率为50MHz */   
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   
  /* 设置引脚的输出类型为推挽输出*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
  /* 设置引脚为无上拉 下拉模式*/
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;  
       
  /* 调用库函数，使用上面配置的GPIO_InitStructure初始化GPIO_F*/
GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);
  
/* < 配置 SPI_FLASH_SPI 引脚: CS > */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);


GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;       
GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);
       
GPIOF->BSRRL = GPIO_Pin_6;//拉高CS线
GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_7);//拉高时钟线，模拟模式3


}


接下来，就是基本的发送、接收函数了。延时是用Symtick来延时，为了延时精确，符合W25Q128芯片数据手册的时序，理论上应该也可以用软件延时（未尝试）。


//软件模拟SPI写(发送)
void Soft_SPI_Write(uint8_t a)
{
        uint8_t cnt;
       
        for(cnt=0;cnt<8;cnt++)
        {
                GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_7);//拉低CLK
                Delay_us(10);//这个延时时间任意，但要大于芯片数据手册上的(纳秒级的)
                if(a &0x80)
                {
                        GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9);
                }
                else
                {
                        GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9);
                }
                a <<= 1;
                Delay_us(10);
                GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_7);//拉高CLK
                Delay_us(10);
        }
}


//软件模拟SPI读(接收)
uint8_t Soft_SPI_Read(void)
{
        uint8_t cnt;
        uint8_t Rxdata = 0;
       
        for(cnt=0;cnt<8;cnt++)
        {
                GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_7);//拉低CLK
                Delay_us(10);
                Rxdata <<= 1;
                if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOF, GPIO_Pin_8))
                {
                        Rxdata |= 0x01;
                }
                GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_7);//拉高CLK
                Delay_us(10);
        }
        return Rxdata;
}


然后是，W25Q128芯片的等待准备好的函数。通过读取该芯片的BUSY位是否为1（繁忙）实现，这款FLAH 是这样的，你要根据你要执行的操作找到要发送的指令是哪个，以及对应的时序，按照它的时序来，注意时序线上的时间。


void Soft_WaitFlahToBeReady(void)
{
        u8 FLASH_Status = 0x01;
       
        GPIOF->BSRRH = GPIO_Pin_6;  //**CS低**       
       
        Soft_SPI_Write(0x05);
       
        do
        {
                Soft_SPI_Write(0xFF);
                FLASH_Status = Soft_SPI_Read();
        }
        while((FLASH_Status & 0x01) == 1);


        printf("rn 繁忙状态位为： 0x%Xrn", FLASH_Status);       
        GPIOF->BSRRL = GPIO_Pin_6;  //**CS高**


}


再是，FLASH 的扇区擦除函数了，所有的FLASH每次写入前都要进行擦除。


void Soft_Flash_SectorErase(u32 EraseAddr)
{
        GPIOF->BSRRH = GPIO_Pin_6;  //**CS低**       
       
        Soft_SPI_Write(0x06);//写使能指令
       
        GPIOF->BSRRL = GPIO_Pin_6;  //**CS高**


        GPIOF->BSRRH = GPIO_Pin_6;  //**CS低**       
       
        Soft_SPI_Write(0x20);//扇区擦除指令
       
        Soft_SPI_Write((EraseAddr & 0xFF0000) >> 16);
        Soft_SPI_Write((EraseAddr & 0xFF00) >> 8);
        Soft_SPI_Write((EraseAddr & 0xFF));
       
        GPIOF->BSRRL = GPIO_Pin_6;  //**CS高**
       
        Soft_WaitFlahToBeReady();
}


再就是，页写入函数了，这款FLASH芯片支持三种写入方式，单字节写入、页写入（<256Bytes）、多字节写入（基于页写入）。显然，页写入方式比单字节写入快，这里我只做了页写入的方式，用于验证是否成功，多字节写入的方式可以在此方式上拓展，秉火的例程上有，可以参考。


void Soft_SPIFlashPageWrite(u8* Pbuffer,u32 Writeaddr,u16 NumberByteToWrite)
{
        GPIOF->BSRRH = GPIO_Pin_6;  //**CS低**       
       
        Soft_SPI_Write(0x06);//写使能指令
       
        GPIOF->BSRRL = GPIO_Pin_6;  //**CS高**


        GPIOF->BSRRH = GPIO_Pin_6;  //**CS低**       
        Soft_SPI_Write(0x02);//写页写入指令


        Soft_SPI_Write((Writeaddr & 0xFF0000) >> 16);
        Soft_SPI_Write((Writeaddr & 0xFF00) >> 8);
        Soft_SPI_Write((Writeaddr & 0xFF));       
       
        if(NumberByteToWrite > 256)
        {
                NumberByteToWrite = 256;
                printf("写入的字节数大于256");
        }
        while(NumberByteToWrite--)
        {
                Soft_SPI_Write(*Pbuffer);
                Pbuffer++;
        }
        GPIOF->BSRRL = GPIO_Pin_6;  //**CS高**
       
        Soft_WaitFlahToBeReady();
}


最后就是读FLASH函数了，该芯片支持多字节一直读。


void Soft_SPIFlashRead(u8* Pbuffer,u32 ReadAddr,u16 NumberByteToRead)
{


        GPIOF->BSRRH = GPIO_Pin_6;  //**CS低**
        Delay_us(10);
       
        Soft_SPI_Write(0x03);//写读使能指令


        Soft_SPI_Write((ReadAddr & 0xFF0000) >> 16);
        Soft_SPI_Write((ReadAddr & 0xFF00) >> 8);
        Soft_SPI_Write((ReadAddr & 0xFF));       
       
        while(NumberByteToRead--)
        {
                //Soft_SPI_Write(0xFF);//这里一开始是加了的，因为SPI是全双工的，
                *Pbuffer = Soft_SPI_Read();//但是加了,读就有问题，然后仔细看了时序图，发现其实不加也可以
                Pbuffer++;
        }
       
        GPIOF->BSRRL = GPIO_Pin_6;  //**CS高**
}