SPI接口通过总线进行数据交换，主器件产生移位时钟，驱动总线上的数据按位传输。SPI总线可实现全双工通信，数据传输速率可达数兆bps，其总线由四条线构成，即：

·SDO线：主器件数据输出（接从器件数据输入）。

·SDI线：主器件数据输入（接从器件数据输出）。

·SCK线：时钟信号输出（时钟信号由主器件产生）。

·

在一个基于SPI总线的通信系统中，需要至少有一个主控器件，时钟线SCK只能由主器件控制，从器件不能控制SCK线。

13.1.2

SPI模块的功能

ATmega32单片机的SPI模块使用4个引脚进行串行通信，具有7种可编程的比特率控制方式，可以根据需要配置成主机或从机模式。由于SPI模块既可以配置成主器件，又可配置成从器件，因此其引脚的标识也有着自身的特点，具体功能如下：

·MOSI引脚：SPI总线主机输出/从机输入（Master Output/Slave Input）。

·MISO引脚：SPI总线主机输入/从机输出（Master Input/Slave Output）。

·SCK引脚：SPI总线主机时钟信号输出/从机输入。

·

ATmega32单片机的SPI模块内部结构如图13-2所示。

从图13-2中我们可以看出，模块内部的8位移位寄存器和数据缓冲器实现了模块的移位发送和接收功能。引脚控制逻辑用于在SPI模式下对引脚功能的配置。当SPI工作在主机模式时，串行通信时钟来自于系统时钟，可编程的分频器提供了对系统时钟的2-128级分频。分频后的时钟信号在时钟逻辑的控制下驱动串行通信模块进行通信。

在任何时候，只要将数据写入主机的数据缓冲器SPDR中，SPI模块立即在SCK引脚上产生时钟信号，在时钟的驱动下，数据可按高位在前或低位在前（可设定）的顺序在总线上按位传输。数据传输结束后，主器件的SPI时钟停止，传输结束中断标志位SPIF置位，如果此中断得到允许，单片机会跳转到与之对应的中断向量处开始执行中断服务程序。

SPI主从通信原理如图13-3所示。图中左侧单片机为主器件，右侧单片机为从器件，主从器件的串行移位寄存器，通过各自的MISO和MOSI引脚相连接。在主器件时钟发生器产生的串行时钟的驱动下，8位的数据由主器件的MOSI引脚移出，同时从主器件的MISO引脚移入来自从器件的另一个8位的数据。从以上的通信方式我们可以看出，SPI通信其实是主从器件的一个数据交换的过程。

13.2

SPI模块的设置

13.2.1

SPI模块的引脚配置

SPI模块使能后，按照主从配置不同，MOSI、MISO、SCK和

在表13-1中，标有“自动配置”的引脚数据方向无需用户软件指定，但标有“用户定义”的引脚必须为其指定数据方向。此外需要特别注意的是

1）清零SPCR寄存器的MSTR位，使SPI成为从机，MOSI和SCK引脚变为输入状态。

2）SPSR的SPIF置位，并向CPU发送中断申请。

当SPI模块被配置为从机时，从机选择引脚

13.2.2

SPI模块的控制寄存器

1.SPCR寄存器

该寄存器是SPI模块的控制寄存器，包含了多个SPI模块的相关控制位。

SPCR寄存器：SPI的控制寄存器

bit 7SPIE：SPI中断使能位。该位置1时允许SPI中断，清零时则禁止SPI中断。

bit 6SPE：SPI模块使能位。该位置1时使能SPI模块，任何关于SPI的操作之前都要将SPE位置1。

bit 5DORD：数据次序选择位。该位置1时数据的最低位（LSB）首先发送，清零时数据的最高位（MSB）首先发送。

bit 4MSTR：主/从模式选择位。该位置1时SPI模块被配置成主机模式，清零时则为从机模式。

bit 3CPOL：时钟极性选择位。该位置1时SCK线在空闲时为高电平，对应的时钟信号起始沿为下降沿。CPOL位清零时SCK线在空闲时为低电平，对应的时钟信号起始沿为上升沿。具体设置详见表13-3。

bit 2CPHA：时钟相位选择位。该位置1时，SPI模块对所输入的数据在SCK时钟的结束沿采样，清零时在SCK的开始沿采样。具体时序状态如图13-4所示。

bit 1-0SPR1:SPR0：SPI时钟速率选择位。这两位与SPI2X位共同作用，决定了工作在主机模式下的SPI通信速率，对从机模式没有影响。SPI通信速率设置详见表13-2。

注意：当MSTR位为1时，如果

2.SPSR寄存器

该寄存器是SPI模块的状态寄存器，包含了SPI模块的相关状态位。

SPSR寄存器：SPI的状态寄存器

bit 7SPIF：SPI中断标志位。该位置1时表示串行发送结束，如果此中断得到允许，单片机将跳转到相应的中断向量处并执行中断服务程序。进入中断服务程序后，SPIF位自动清零，也可以先软件查询SPIF位的状态，SPIF位置1后，将接收到的数据从SPDR寄存器中读回，此操作同样会使SPIF位清零。

bit 6WCOL：写冲突标志位。在SPI发送数据时，将数据写入寄存器SPDR将会产生写冲突，从而使WCOL位置1。通过软件查询SPSR寄存器的WCOL位可以检测到写冲突的产生，写冲突产生后，对SPDR寄存器的读操作可以将WCOL位清零。

bit 5-1保留。

bit 0SPI2X：SPI倍速模式选择位。该位置1时SPI通信速度加倍，具体设置详见表13-2。

3.SPDR寄存器

该寄存器是SPI模块的数据寄存器，用于保存接收或待发送的数据，对该寄存器的写操作将会启动SPI的数据传输。

SPDR寄存器：SPI数据寄存器

13.2.3

SPI的数据传输时序

SPI串行通信的时钟信号相位和极性有4种组合，这些组合决定了SPI在时钟的哪一个相位发送或接收数据。一般来说，我们要根据从器件的性能要求来更改主器件的时钟相位设置，以实现SPI数据的正确传输。在前面的寄存器介绍中，我们已经知道SPCR寄存器的CPOL位决定空闲时钟极性，而CPHA位决定发送和接收数据是在时钟的开始沿还是结束沿。CPOL位的CPHA位之间的4种组合详见表13-3，相应的通信时序如图13-4所示。

13.2.4

SPI模块设置向导

SPI通信的标准是不严格的，不同的设备在通信时所采取的时序也略有不同，当你在编写代码驱动SPI设备时，必须要注意器件间的这些差异。在SPI通信设置中，要注意以下几个方面：

1）数据传输时是高位（MSB）在前，还是低位（LSB）在前。编程SPCR寄存器的DORD位，设定数据次序。

2）时钟SCK线在空闲时，是高电平还是低电平。编程SPCR寄存器的CPOL位，设置时钟极性。

3）数据采样是在时钟的开始沿还是结束沿。这一点对于数据的接收和发送使用不同时钟沿的器件尤为重要，编程SPCR寄存器的CPHA位，确定时钟相位。

4）合理设置SPI通信速度。一般来说，SPI的通信速度都在2MHz以下，高于此值数据传输可能无法完成，编程SPCR寄存器的SPR1:SPR0位，正确设置SPI时钟速率。

13.3

存储器93C46

93C46是串行E 13.3.1

93C46的引脚功能

93C46共有8个引脚，其中CS引脚是芯片的片选控制端，高电平有效；SK引脚是SPI通信的时钟输入端，接主器件的时钟输出；DI端是SPI通信的数据输入端，接主器件的数据输出；DO端是SPI通信的数据输出端，接主器件的数据输入；ORG端是存储器结构选择端，当ORG接Vcc时，存储器为16位结构；当ORG接GND时，存储器为8位结构。93C46的引脚功能如表13-4所示。

ATmega32单片机与93C46的通信方式如图13-5所示。

13.3.2

93C46的操作指令

对93C46的操控是通过一系列的指令来实现的。当存储器的结构为8位时，93C46的操作指令由10位构成，即一位高电平“1”的开始位、2位的操作码和7位的地址位。如果需要，后面还可以跟随8位的数据位。当存储器的结构为16位时，93C46的操作指令由9位构成，即1位高电平“1”的开始位，2位的操作码及6位的地址位构成，后面也可以跟随16位的数据位。93C46的操作指令集详见表13-5。

下面我们以8位的存储器结构为例来分析一下这些指令。

1）读操作指令（READ）：当主器件发送110XXXXXXX指令后，7位地址XXXXXXX处的存储数据会由DO引脚输出。在接收到读操作指令之前，93C46的DO引脚是高阻态的，当接收到读操作指令后，DO引脚先输出一个虚拟的低电平，然后开始输出数据。93C46的读操作时序如图13-6所示。

2）写操作指令（WRITE）：在写入数据时，主器件先发送写指令101XXXXXXX，之后发送8位的写入数据。在CS引脚的下降沿，93C46会使用自动时钟把数据写入地址（XXXXXXX）处，写入过程中DO引脚为低电平，写入完成后DO引脚会转为高电平。93C46的写操作时序如图13-7所示。

3）擦除操作指令（ERASE）：主器件发送擦除指令111XXXXXXX后，在CS引脚的下降沿，93C46会使用自动时钟将地址（XXXXXXX）的数据擦除。擦除指令完成后，所有存储位都回到逻辑“1”的状态。

4）写允许指令（EWEN）：主器件发送写允许指令10011XXXXX后，才可以进行写（WRITE）操作。写允许命令发送后会持续有效，直到断电或发送一条写禁止指令。

5）写禁止指令（EWDS）：主器件发送指令10000XXXXX后，会禁止对93C46的写入和擦除操作，这也可以防止意外地对器件进行写入和擦除。

6）擦除全部指令（ERAL）：主器件发送擦除全部指令10010XXXXX后，在CS引脚的下降沿，93C46使用自动时钟擦除存储器的全部内容，擦除完毕后，所有存储位都恢复到逻辑“1”的状态。

7）写入全部指令（WRAL）：主器件先发送写入全部指令10001XXXXX，之后发送要写入的数据，在CS引脚的下降沿，93C46使用自动时钟把数据写入到全部存储单元中。

13.3.3

93C46的数据传输时序

93C46的数据传输同步时序如图13-8所示。从图中我们可以看出，93C46会在SK引脚时钟的上升沿采样DI引脚的输入数据，因此要求主器件要在时钟的上升沿发送数据。另外，93C46会将保存的数据在时钟的下降沿从DO引脚输出，这同样要求主器件要在时钟的末端采样输入的数据。为了实现正确的SPI通信，我们需要针对上述两种情况分别设置主器件的收发时序。

注意：在ATmega32单片机SPI模块的4种模式下，收发都是在同一个时钟沿上进行的，而93C46要求主器件要在时钟的开始沿（上升沿）发送，而在时钟的结束沿（下降沿）接收，所以在程序中单片机的SPI模块必须根据收发两种状态调整SPI方式，发送数据时对应方式0，接收数据时对应方式1。

13.4

SPI模块的编程应用

利用ATmega32单片机的SPI硬件接口，可以实现与存储器93C46的通信。使用硬件接口的好处是不用再软件模拟SPI时序，可以使代码变得清晰简洁。完成这个实验我们需要一片DIP8封装的93C46存储器和一小块多孔电路板（俗称洞洞板），以及一些杜邦线，这些在电子市场上都很容易买到。材料准备好以后，按照图13-5所示的方式，将93C46与系统板上ATmega32单片机的相应引脚连接起来。在AVR系统板上，由于PB4-PB7引脚用来作为四位数码管的位驱动端，这会与SPI通信产生冲突，所以需要使用杜邦线将数码管的位驱动端转移至PD4-PD7引脚上。

硬件连接好以后，打开Atmel Studio 6.1软件，新建名为“SPI1”的项目，保存在chapter13文件夹下，软件自动添加名为SPI1.c的源文件到新建的项目中。编辑SPI1.c源文件，具体代码详见代码清单13-1。

代码清单13-1

SPI模块与93C46通信（数码管断电接力显示）

/*

*

SPI1.c *

SPI 模块与93C46

通信

*

Created: 2013/9/27

8:13:10

*

Author: GAO */

/*

SPI 方式读写93C46, 数码管显示读出数据, 断电可接力。

写用SPI 模式0, 读用SPI 模式，SS 引脚连接93C46CS 端。

*/

#include 
//
包含AVR 头文件
#define F_CPU 16000000UL //
定义系统时钟
#include 
//
包含延时函数头文件
#define SS_SET (PORTB=PORTB|0x10)
//
置位SS 引脚
#define SS_CLR (PORTB=PORTB&0xEF)
//
清零SS 引脚
unsigned char table0[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f }; //
共阴无点
unsigned char table1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6, 0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef }; //
共阴有点
unsigned int NUM; //
定义全局变量NUM 用于显示
unsigned char TEMP; //
定义全局变量TEMP 用于保存从93C46
中读出的值
void display(unsigned int NUM); //
数码管显示函数声明
void SPI_init(void); //SPI 初始化函数声明
void transfor_spi(unsigned char TDATA); //SPI 数据交换函数声明
void write_onechar(unsigned char ADD,unsigned char SA_DATA); //
向93C46
某一地址写一个字节函数声明
void write_en(void); //93C46
写允许函数声明
unsigned char read_onechar(unsigned char ADD); //
从93C46
某一地址读一个字节函数声明
/**********
主函数**********/
int main(void)
{
DDRA=0xFF; //
设数码管段驱动端为输出
DDRD=0xF0; //
设数码管位驱动端为输出
SPI_init(); //SPI 模式初始化
write_en(); //
打开93C46
写允许
while(1)
{
NUM=read_onechar(3); //
从“3
”存储单元读出一个字节
NUM++; write_onechar(3,NUM); //
将NUM 值写入“3
”存储单元
display(NUM); //
扫描数码管
}
}
/**********
数码管显示函数**********/
void display(unsigned int NUM)
{
unsigned char NUM4,NUM3,NUM2,NUM1; NUM1=NUM%10; NUM2=NUM%100/10; NUM3=NUM%1000/100; NUM4=NUM/1000; PORTA=table0[NUM1]; PORTD=0x10; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTD=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM2]; PORTD=0x20; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTD=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM3]; PORTD=0x40; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTD=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms PORTA=table0[NUM4]; PORTD=0x80; _delay_ms(2); //
延时2ms PORTA=0x00; PORTD=0x00; _delay_ms(1); //
延时1ms }
/**********SPI 初始化函数**********/
void SPI_init(void)
{
DDRB|=0xF0; //
将PB4-PB7
置为输出，MISO 在主机模式下会自动配置成输入
SPCR=0x53; //
高位在先，时钟速率
1/128
FOSC ，SPI 模式0
SPSR=0x00; }
/**********SPI 数据交换函数**********/
void transfor_spi(unsigned char TDATA)
{
SPDR=TDATA; //
将值写入SPDR while((SPSR&0x80)==0); //
等待SPIF 置1
TEMP=SPDR; //
读回SPDR 中收到的数据，读操作会清零SPIF 位
}
/**********
向93C46
某一地址写一个字节函数**********/
void write_onechar(unsigned char ADD,unsigned char SA_DATA)
{
SS_SET; //
拉高片选端
_delay_us(2); //
延时2
μs transfor_spi(0x02); //
写命令101+ADD transfor_spi(0x80|ADD); //10
位的命令，要分两次写入
transfor_spi(SA_DATA); //
写入数据
SS_CLR; //
拉低片选端，芯片内部开始烧写过程
_delay_ms(5); //
延时等待
}
/**********93C46
写允许函数**********/
void write_en(void)
{
SS_SET; //
拉高片选端
_delay_us(2); //
延时2
μs transfor_spi(0x02); //
写命令10011
00000
transfor_spi(0x60); //10
位的命令，要分两次写入
_delay_us(2); //
延时2
μs SS_CLR; //
拉低片选端
}
/**********
从93C46
某一地址读一个字节函数**********/
unsigned char read_onechar(unsigned char ADD)
{
SS_SET; //
拉高片选端
_delay_us(2); //
延时2
μs transfor_spi(0x03); //
写命令110+ADD transfor_spi(ADD); //10
位的命令，要分两次写入
SPCR=0x57; //
切换到SPI 模式1
transfor_spi(0x00); //
写入空数据，目的是接收数据
SPCR=0x53; //
恢复到SPI 模式0
SS_CLR; //
拉低片选端
return TEMP; //
返回READTEMP 值
}
/**********
结束**********/
成功编译以上代码后，将其下载到AVR系统板中，程序运行后的效果如图13-9所示。数码管显示数值从0～255开始不断循环累加，在累加过程中如中途断电，再次加电后数码管会从断电时的数值继续累加，显然这是E2PROM存储器的存储功能所致。