arm底层通讯协议之SPI通讯

1、基本概念区分

    （1）SPI和SSP区别

        可能很多人在其他的地方都多次到过SPI和SSP，比如爱NXP的LPC11XX系列的SOC手册中多次出现SSP，这里作统一区分：SSP（Synchronize Serial Port，同步串行口）和SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）。SSP是在SOC和一些串行外部设备通信的通信模块，他有两种工作模式：SPI和IIC。

    （2）SPI协议和代码关系

        我们在使用SPI接口进行数据通信的时候，之所以要了解SPI通信协议的原因是我们需要了解SPI通信协议原理。虽然实际硬件通讯硬件电路已经做好了，但是我们还是需要通过配置寄存器来实现SPI通讯时序，所以说还是要学会SPI通信原理的。

        了解SPI通信原理只是第一步，第二步是阅读硬件用户手册，根据手册指示编写配置寄存器代码，实现基本配置（时钟频率、数据帧格式、引脚功能等），第三步就是实际收发接口程序编写。

2、SPI硬件接口

    通过上图可以知道，首先SPI通信有4线：SCK（同步时钟信号）、MISO（主接收从发送）、MOSI（主发送从接收）、NSS（片选信号）。SPI通信最少3根线：SCK同步时钟、NSS（或者CS）片选信号、MISO或者MOSI。

    SCK：作为同步通信的时钟，指示什么时候开始/结束通讯，以及中间数据传输（主设备什么时候发送，从设备什么时候接收）。时钟由主设备发出，控制。

    MISO：SPI通信分为主设备（Master）和从设备（Slave），主设备intput，从设备output

    MOSI：主设备发送（output输出），从设备接收（intput输入）

    NSS：SPI通信分为一主多从，主设备要想从多个从设备中选中和哪个从设备通信，直接将和从设备连接的NSS引脚拉低即可。这个和IIC不一样，IIC直接发送从设备ID来选择从设备。

3、专业术语解释

    （1）空闲态

        指的是SPI总线上没有数据发送时候的状态。

    （2）时钟极性（CPOL）

        SCK时钟线，在SPI总线空闲时候，所处的电平状态（帧与帧之间的状态）：

            CPOL = 0，SCK空闲时，主设备持续发送低电平

            CPOL = 1，SCK空闲时，主设备持续发送高电平

    （3）时钟相位（CPHA）

        时钟相位，实际指的就是发送和接受双方如何协调收发：

            CPHA = 0，无论收发方，在第一个边沿（上升沿还是下降沿看CPOL=0还是1）处采样（读取数据），在第二个边沿处发送数据

            CPHA = 1，在第二个边沿处（上升沿还是下降沿看CPOL=0还是1）处采样（读取数据），在第一个边沿处发送数据。

4、SPI通信协议

    SPI通信协议总结起来就是一句话，解决SPI通信问题：

    （1）数据发送高位在前还是低位在前：比如0x55（0101 0101），先发送第0位的1还是第7位的0？

        高位在前，先发送0（MSB），最后发送1（LSB）

    （2）怎么区分正在发送数据还是处在空闲，例如0xff（1111 1111）：区分空闲和数据发送？

        在开始发送之前SCK处在空闲态（根据CPOL时钟极性设置规定，持续输出高电平（CPOL=1）或者低电平（CPOL=0）），开始发送时候，主设备会控制SCK发生变化（低电平转高电平，高电平转换低电平），知道数据发送完，SCK会继续回到空闲状态（持续输出高电平或者低电平）。

    （3）发送方什么时候发送？

        根据CPHA时钟相位设置，向数据线上放数据：CPHA=1，在第一个边沿处，向数据线上放数据（发送），CPHA=0，在第二个边沿处，向数据线上放数据（发送）

    （4）接收方什么时候接收？

        根据CPHA设置采样（读取数据）：CPHA=1，在第二个边沿处，从数据线上采样（读取数据），CPHA=0，在第一个边沿处，从数据线上采样（读取数据）。

    （5）总结

        从上图可以看出SPI通信双方内部的基本结构，在主设备在发送的时候，从设备也在发送，只不过主设备发送的数据是我们（程序员）放进去的有效数据，但是从设备发送过来的数据确是不确定的（当然我们也可以自己指定垃圾数据，比如0xff或者0x00）。

        所以SPI通信的特点就是，发送方发送数据的时候，是将实现准备好的有效数据在CPHA规定的边沿发送出去的（比如MOSI上，主设备发送数据），同一时刻从设备也在CPHA规定的边沿发送数据（比如MISO上，从设备发送），然后在CPHA规定的采样边沿处，收发双方都会从MOSI或者MISO上去采样（读取数据）。总结起来就是一句话：发送方发送数据的同时，接收方也在发送数据，只不过发送方发的是实际有意义的数据，接收方发送的是无效垃圾数据（这是SPI通信方式所限定的）。

5、LPC11C14平台特点

    在开始在LPC11C14平台上编写SPI通信代码接口之前，将这几个问题搞明白就可以了：

    （1）既然SPI都是一位一位的传送的，那么我（程序员）发送或者接收的时候可是都以byte为单位的，怎么去界定已经发送完或者接收完一个byte？

        在LPC11C14的芯片手册中，可以知道，整个SPI的传输都是以8bit一个字节为单位的（一帧），当帧传输完成时，如果想要传输多个字节，在每个字节传输后，释放总线（还原SCK到空闲态，拉高NSS片选线），这样会将SPI标记寄存器中关于接受和发送标记置位。

    （2）发送和接受有没有FIFO？FIFO的大小是多少？

        LPC11C14上发送和接受的FIFO是公用一个的（环路收发），都是2字节（16bit）

    （3）发送和接受方式是轮训？还是中断？

        SPI的接收和发送均是轮训方式的，当然也可以设置成中断（SSP0IMSC寄存器，半满中断（FIFO收够1个字节）），建议不这么做，因为单个byte就产生一次中断，中断次数太频繁，容易打断CPU主程序执行

    （4）需要写几个接口？每个接口什么功能？

        需要至少2个接口：

            a、SPI初始化配置接口：void spi__0_config(void)

                完成相关引脚功能、时钟选择和分频、SPI通信帧格式、主从角色设置、时钟极性和时钟相位设置

/****************************************************

* 函数名称：spi_0_config

* 功能描述：配置SPI通讯接口：引脚功能、时钟频率、主从模式、数据帧格式

* 参数：无

* 返回值：无

*****************************************************/

void spi_0_config(void)

{

//1、spi引脚初始化：CLK-PIO0_6，MOSI0-PIO0_9，MISO-PIO0_8，C/S-PIO2_4

    LPC_IOCON->PIO0_9 &= ~(0x7<<0);

    LPC_IOCON->PIO0_9 |= (1<<0); //MOSI0

    LPC_IOCON->PIO0_8 &= ~(0x7<<0);

    LPC_IOCON->PIO0_8 |= (1<<0); //MISO0

    LPC_IOCON->PIO0_6 &= ~(0x7<<0);

    LPC_IOCON->PIO0_6 |= (2<<0); //SCK0

    //2、设置SCK0管脚时钟功能

    LPC_IOCON->SCK_LOC &= ~(0x3<<0);

    LPC_IOCON->SCK_LOC |= (2<<0);

    //3、设置SSP0总线时钟使能

    LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1<<11);

    //4、SPI时钟分频设置

    LPC_SYSCON->SSP0CLKDIV &= ~(0xff<<0);

    LPC_SYSCON->SSP0CLKDIV |= 2<<0;

    //5、关闭SSP0复位

    LPC_SYSCON->PRESETCTRL |= (1<<0);

    //6、使能GPIO时钟输出功能:SPI的SCK输出

    LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1<<6);

    //7、设置SPI的偏选引脚为输出功能：PIO2_4

    LPC_IOCON->PIO2_4 &= ~(0x7<<0);

    LPC_GPIO2->DIR |= (1<<4); //设置PIO2_4引脚为输出功能

    LPC_GPIO2->DATA |= (1<<4); //设置PIO2_4引脚输出高电平（默认悬空不选中）

    //8、SPI通讯时钟选择、总线类型、数据长度设置

    LPC_SSP0->CR0 &= ~(0xf<<0);

    LPC_SSP0->CR0 |= (7<<0); //设置帧长度为8bit

    LPC_SSP0->CR0 &= ~(3<<4); //设置帧格式为SPI

    LPC_SSP0->CR0 &= ~(3<<6); //SPI时钟极性为低电平，在第一个边沿采样，第二个边沿输出

    LPC_SSP0->CR0 &= ~(0xf<<8);

    LPC_SSP0->CR0 |= (7<<8); //设置时钟分频因子7+1

    LPC_SSP0->CPSR = 2;//分频结果 = 48MHz/(2*(7+1)) = 3MHz

    //9、设置SPI通讯模式为主设备模式，使能SPI

    LPC_SSP0->CR1 &= ~(0xf<<0);

    LPC_SSP0->CR1 |= (1<<1);

}

            b、spi收发接口：unsigned short spi_put_get(unsigned short data)

                由于SPI发送和接受的特点：发送1个字节，必然会有一个字节数据交换接收回来，所以，如果是发送数据，对于返回自己不需要考虑（交换得来的垃圾数据）；如果是接收数据，发送数据（垃圾无效数据），将交换得来的字节读取即可。

/*****************************************************

* 函数名称：spi0_put_get

* 功能描述：收发一体接口，用来接收数据或者发送数据

* 参数：data，发送数据，

* 返回值： 接收的数据

***************************************************/

unsigned char spi0_put_get(unsigned char data)

{

    //等待spi空闲，并且发送FIFO不为满

    while((LPC_SSP0->SR & ((1<<1) | (1<<4))) != (1<<1))

    {

        ;

    }

    //发送数据

    LPC_SSP0->DR = data;

    //等待接收FIFO不为空

    while((LPC_SSP0->SR & (1<<2)) == 0)

    {

        ;

    }

    //返回接收数据

    return LPC_SSP0->DR;

}

            c、spi接收接口：void spi_receive(unsigned char *buf, unsigned int size)

                单独接收数据功能的接口

            d、spi发送接口：void spi_send(unsigned char *data， unsigned int size)

                单独发送数据功能的接口

/****************************************************

* 函数名称：ssp0_send

* 功能描述：spi发送数据接口

* 参数：data，发送的数据，size，发送字节数

* 返回值：无

*****************************************************/

void ssp0_send(unsigned char *data, unsigned int size)

{

    unsigned int ret = 0;

    unsigned int i = 0;

    unsigned char byte = 0;

    if(size <= 0)

        return ;

    for(i=size; i>0; i--) //循环发送

    {              

       //判断SPI是否繁忙、发送FIFO中是否已满

       while(((LPC_SSP0->SR & (1<<4)) != 0) && ((LPC_SSP0->SR & (1<<1)))) /*SPI处在繁忙状态 && 发送FIFO未满*/

       {

           ;

       }

       //开始发送数据

       LPC_SSP0->DR = *data;

       data++;

       //等待接收交换字节

       while((LPC_SSP0->SR & (1<<2)) == 0)//接收FIFO为空

       {

           ;

       }

       //读取接收FIFO

       byte = LPC_SSP0->DR ;

    }

}

    （5）使用SPI通信方式，SCK时钟频率设置多少？时钟极性和时钟相位该怎么设？

        首先在SPI通信过程中，LPC11C14控制器属于主设备角色，本次实验中的从设备通信对象是OLED显示屏，所以时钟频率具体怎么设置全看从设备OLED的SPI极限频率，只要主设备时钟频率设置的低于OLED时钟上线即可（这里OLED上限是3.3MHz），lpc11c14的外设总线频率是48MHz，根据此条件设置分频因子即可。

        时钟极性和时钟相位，在本实验中，主要是由从设备（OLED显示屏）决定，从OLED显示屏驱动芯片SSD1306芯片手册得到，SPI采样必须在上升沿，因此可以根据这个信息任意设置时钟极性和时钟相位，只要让采样发生在上升就可以了，这里使用时钟极性和时钟相位都设置为0（直接在第一个时钟边沿采样，也是在上升沿采样）

    以上内容就是针对LPC11C14平台上关于SPI通讯接口的实验内容