关于嵌入式:SPI协议与GPIO模拟SPI的实现

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SPI（Serial Peripheral Interface, 串口外设接口），它用于 MCU 与各种外围设备以串行形式进行通信，速度最高可达 25MHz 以上。

SPI 接口次要利用在 EEPROM、FLASH、实时时钟、网络控制器、OLED 显示驱动器、AD 转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等设施之间。

SPI 通常由四条线组成，一条主设施输入与从设施输出（Master Output Slave Input，MOSI），一条主设施输出与从设施输入（Master Input Slave Output，MISO），一条时钟信号（Serial Clock，SCLK），一条从设施使能抉择（Chip Select，CS）。与 I²C 相似，协定比较简单，也能够应用 GPIO 模仿 SPI 时序。

在 SCLK 时钟周期的驱动下，MOSI 和 MISO 同时进行，如下图所示，能够看作一个虚构的环形拓扑构造。主机和从机都有一个移位寄存器，主机移位寄存器数据通过 MOSI 将数据写入从机的移位寄存器，此时从机移位寄存器的数据也通过 MISO 传给了主机，实现了两个移位寄存器的数据交换。无论主机还是从机，发送和接管都是同时进行的，如同一个“环”。须要留神的是，数据的写入程序是从高地址到低地址。

如果主机只对从机进行写操作，主机只需疏忽接管的从机数据即可；如果主机要读取从机数据，须要主机发送一个空数据来引发从机发送数据。

SPI 有四种传输模式，次要差异在于 CPOL 和 CPHA 的不同。

CPOL（Clock Polarity，时钟极性），示意 SCK 在闲暇时为高电平还是低电平。当 CPOL=0，SCK 闲暇时为低电平，当 CPOL=1，SCK 闲暇时为高电平。

CPHA（Clock Phase，时钟相位），示意 SCK 在第几个时钟边缘采样数据。当 CPHA=0，在 SCK 第一个边际采样数据（即在第二个边际输入），当 CPHA=1，在 SCK 第二个边际采样数据（即在第一个边际输入数据）。

比方：CPHA= 0 时，示意在时钟第一个时钟边际采样数据。当 CPOL=1，即闲暇时为高电平，从高电平变为低电平，第一个时钟边际（降落沿）即进行采样。当 CPOL=0，即闲暇时为低电平，从低电平变为高电平，第一个时钟边际（回升沿）即进行采样。

首先主机和从机都抉择同一传输模式。而后主机片选拉低，选中从机。接着在时钟的驱动下，MOSI 发送数据，同时 MISO 读取接收数据。最初实现传输，勾销片选。

 /*
* 函数名：void SPI_WriteByte(uint8_t data)
* 输出参数：data -> 要写的数据
* 输入参数：无  
* 返回值：无
* 函数作用：模仿 SPI 写一个字节
*/ 
void SPI_WriteByte(uint8_t data) {        //SPI 写 1 Byte，循环 8 次，每次发送 1 Bit；uint8_t i = 0;  
    uint8_t temp = 0;  
    for(i=0; i<8; i++) {temp = ((data&0x80)==0x80)? 1:0;  // 将 data 最高位保留到 temp；data = data<<1;                   //data 左移一位，将次高位变为最高位，用于下次取最高位；SPI_CLK(0); //CPOL=0              // 拉低时钟，即闲暇时钟为低电平，CPOL=0；SPI_MOSI(temp);                   // 依据 temp 值，设置 MOSI 引脚的电平；SPI_Delay();                      // 简略延时，能够定时器或延时函数实现
        SPI_CLK(1); //CPHA=0              // 拉高时钟，W25Q64 只反对 SPI 模式 0 或 1，即会在时钟回升沿采样 MOSI 数据；SPI_Delay();}
     SPI_CLK(0);                          // 最初 SPI 发送完后，拉低时钟，进入闲暇状态；}

/*
* 函数名：uint8_t SPI_ReadByte(void)
* 输出参数：* 输入参数：无
* 返回值：读到的数据
* 函数作用：模仿 SPI 读一个字节
*/    
uint8_t SPI_ReadByte(void) {         //SPI 读 1 Byte，循环 8 次，每次接管 1 Bit；uint8_t i = 0;
    uint8_t read_data = 0xFF;
    for(i=0; i<8; i++) {
        read_data = read_data << 1;  //“凌空”read_data 最低位，8 次循环后，read_data 将高位在前；SPI_CLK(0);                  // 拉低时钟，即闲暇时钟为低电平；SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);
        SPI_Delay();
        if(SPI_MISO()==1) {read_data = read_data + 1;}
    }
    SPI_CLK(0);                      // 最初 SPI 读取完后，拉低时钟，进入闲暇状态  
    return read_data;
}

后面提到 SPI 传输能够看作一个虚构的环形拓扑构造，即输出和输入同时进行。在后面“SPI_WriteByte()”函数里，发送了 1 Byte，也应该接管 1 Byte，只是代码中疏忽了接管引脚 MISO 的状态；在后面“SPI_ReadByte()”函数里，接管了 1 Byte，也应该发送 1 Byte，只是代码中疏忽了发送引脚 MOSI 的内容。有些场景，SPI 须要同时读写，因而还须要编写 SPI 同时读写函数。

/*
* 函数名：uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data)
* 输出参数：data -> 要写的一个字节数据
* 输入参数：无
* 返回值：读到的数据
* 函数作用：模仿 SPI 读写一个字节
*/SPI 读和写 1 Byte，循环 8 次，每次发送和接管 1 Bit；uint8_t SPI_WriteReadByte(uint8_t data) {
    uint8_t i = 0;
    uint8_t temp = 0;
    uint8_t read_data = 0xFF;
    for(i=0;i<8;i++) {temp = ((data&0x80)==0x80)? 1:0; // 将 data 最高位保留到 temp；data = data<<1;                  //data 左移一位，将次高位变为最高位，用于下次取最高位；read_data = read_data<<1;        //“凌空”read_data 最低位，8 次循环后，read_data 将高位在前；SPI_CLK(0);
        SPI_MOSI(temp);
        SPI_Delay();
        SPI_CLK(1);
        SPI_Delay();
        if(SPI_MISO()==1) {             // 读取 MISO 上的数据，保留到以后 read_data 最低位，后续通过左移的形式腾挪地位；read_data = read_data + 1;
        }
    }
    SPI_CLK(0);
    return read_data;
}

正文完