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SPI 主从双机通讯的实现

1.00

发布于 2022-01-22 13:52:46 浏览：5808 订阅该版

[tocm]

## 前言

在嵌入式学习的路上，SPI 是一个非常常见的外设，但是大部分使用的场景是作为主机，关于从机的实现可以参考的例程比较少见，本着学习理解的态度，对 SPI 的双机通讯做了一些试验，发现一个好的 SPI 从机实现需要考虑的方方面面非常多，本文仅实现通选，未实现协议层的传输。

本文使用 [ART-Pi](https://art-pi.gitee.io/website/) ，单板完成 SPI 双机通讯试验,主机是 SPI2 ，从机使用 SPI4.
![image-20220122113028823.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/e41adeb7150577c3043f541cfcbc2347.png.webp)

![image-20220122113139814.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/bbbe008e979fa7bdddc06490229d803d.png.webp)

### 一 ，SPI 的模式

SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。

SPI 的主从双方必须设置一致的通讯模式才能完成正常的通讯，有部分厂商的模块可能会同时支持两种模式，但是在 MCU 之间的通讯只能配置为双方一致的模式。

SPI 通过 CPOL(时钟极性) 和  CPHA(时钟相位) 来确定数据的传输模式，因此有以下四种模式；

| 模式  | 时钟极性 | 时钟相位 |
| ----- | -------- | -------- |
| 模式0 | CPOL = 0 | CPHA = 0 |
| 模式1 | CPOL = 0 | CPHA = 1 |
| 模式2 | CPOL = 1 | CPHA = 0 |
| 模式3 | CPOL = 1 | CPHA = 1 |

CPOL(时钟极性)：表示 CLK 处于空闲时的状态，可以是高电平也可以是低电平

CPHA(时钟相位)：表示数据采样的边沿以及发送的边沿。

![image-20220122114117153.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/b850763615bd7762622182f2d9abcdcf.png.webp)

从设备的时钟由主设备通过 SCLK 提供，MOSI、MISO 则基于此脉冲完成数据传输。

接线方式如下图所示：

![image-20220122114029680.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/e9daa5d7f705897e93328c89e898b0fc.png)

### 二 ，SPI 的工作模式

SPI 有 3 种工作模式，分别是轮询，中断和 DMA，因为 SPI 是全双工，发送数据的同时也会收到数据，也就是在 SPI 的 CLK 产生之后，发送和接收数据寄存器里面保存的就是实际的数据。本次实验主机使用轮询模式，从机使用什么模式接下来对不同的模式进行分析。下图描述了 SPI 传输的过程

![image-20220122114235951.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/9b9f8b946785a95a20e014c3ba8d2324.png.webp)

1. 轮询模式

轮询模式顾名思义不断的轮训检查

```c
while ((initial_TxXferCount > 0UL) || (initial_RxXferCount > 0UL))
{
	...
}
```

检查要接收的数据和要发送的数据是否为 0 ，如果不为 0 ，就是不断检查收发寄存器的状态标志位，直到接收到预期的数据或者直至超时退出 。

一般场景主机使用轮询模式即可，因为从机需要接收到主机的 CLK 之后才能收发数据，从机使用轮询模式，那么就需要从机一直守在这，一直检查寄存器，那从机就干不了其他事情了，因此从机不适合使用轮询模式。

2. 中断模式

中断模式下会根据对 SPI 的配置来使能对应的中断位。

```c
  /* Enable EOT, DXP, UDR, OVR, FRE, MODF and TSERF interrupts */
  __HAL_SPI_ENABLE_IT(hspi, (SPI_IT_EOT | SPI_IT_DXP | SPI_IT_UDR | SPI_IT_OVR | SPI_IT_FRE | SPI_IT_MODF | SPI_IT_TSERF));
```

| EOT   | 传输结束                                                     |
| ----- | ------------------------------------------------------------ |
| DXP   | TXP（TXFIFO 中有空间可以放数据） 和 RXP（RXFIFO 中有空间可以放数据） 都有效 |
| UDR   | 下溢                                                         |
| OVR   | 上溢                                                         |
| FRE   | 帧格式错误                                                   |
| MODF  | 模式故障                                                     |
| TSERF | 可重新装载 TSER                                              |

通过上面的配置可以看到，如果 SPI 的 FIFO 设置为1 的情况下，那么就是每收发一个字节都会产生一个中断，虽然可以用，大数据高速率传输会导致中断响应太频繁，导致实时性下降。

3. DMA 模式

DMA 模式又分为循环模式和普通模式。

- 循环模式就是 DMA 自己不停的从 RAM 与 SPI DR 寄存器交换数据，每次收发数据完成都会产生一个完成中断，在考虑主从之间协议交互的时候，不能确定从机什么时候数据已经准备好了。如果主机发起的 CLK 读取的数据少于 DMA BUFF 的缓存区则会出现数据会继续在 RAM 地址之后放置。
   - 普通模式每次使能 DMA 一次传输完成之后，需要用户再次使能 DMA 传输。从机可以在数据已经准备妥当之后，再激活 DMA 的传输，同时也可以通过其他的方式去通知到主机。再次启动 DMA 传输之后，从机接收的数据会从 DMA 缓存区的起始位置开始存放数据，方便数据的解析。

综上所述，本次实验主机使用轮询模式，从机使用 DMA 普通模式。

### 三 ，SPI 的配置

本次实验借助 CUBEMX 工具来进行配置。

1. 使能 SPI 的时钟

![image-20220122130539093.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/331c719d201a341523e7ce4abdea01e9.png.webp)

将 SPI2 和 SPI4 的时钟源都配置为 100M

2. 对主机进行配置

![image-20220122130700078.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/9b6f0b0be58716e139053ce1f520bb64.png.webp)

设置 SPI 为全双工，使用软件 CS，8 个数据位，MSB，做了 256 分频是考虑到实验使用的是杜邦线，CPOL 和 CPHA 怎么配置无所谓，确保从机和主机一致即可。

3. SPI 双机配置

![image-20220122130913741.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/2e2ffc931ff890559a5a52b43aa2f625.png.webp)

配置为从机模式，使用硬件  CS，其他配置保持和主机一致，因为从机的时钟由主机人提供，所以这里可以看到从机不需要配置时钟。

![image-20220122131131650.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/d2bf1a09db312b08081e7ef9f2b58cee.png)

![image-20220122131143739.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/b72f7cfa4f52d70bb987590d009ba745.png)

收发模式都设置为 DMA 普通传输模式。

![image-20220122131218706.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/bd0e980206c4926b99d0848323afa98f.png)

使能外设中断和 DMA 中断。

4. 关闭 CACHE

为了保证 CACHE 对本次实验的影响，默认关闭 CACHE

![image-20220122131346257.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220122/dc64da84ee48d7cfd1857913b2ae24cd.png)

### 5. 实验代码

在编写实验代码之前，先梳理一下应该如何测试：

1. 使能外设（CUBEMX 配置会自动完成）；
2. 启动 SPI 从机的 DMA 传输；
3. 主机读取数据；
4. 从机接收收据，接收完成后执行接收完成回调函数；
5. 校验数据。

```
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_SPI2_Init();
  MX_SPI4_Init();
  MX_UART4_Init();

/* Initialize interrupts */
  MX_NVIC_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  /* 拉高主机的 CS */
  HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
  /* 设置从机的收发数据缓存区，长度为2 */
  HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi4, spi4_txbuff, spi4_rxbuff, 2);
  
  while (1)
  {
        /* 在从机 DMA 收发完成回调中对该标志位置 1 */
        if (spi_flag)
        {
            spi_flag = 0;
            /* 对比 SP2 主机接收的数据与 SPI4 从机发送的数据是否一致 */
            if(Buffercmp(spi2_rxbuff, spi4_txbuff, 2))
            {
                master_error_num++;
                printf("SPI_MASTER  error is %d\r\n",master_error_num);
            }
            /* 修改 SPI 从机发送缓存区中的数据 */
            spi4_txbuff[0] ++;
            spi4_txbuff[1] += 2 ;
            /* 开启一轮新的传输 */
            HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi4, spi4_txbuff, spi4_rxbuff, 2);
        }
        else
        {
            /* 修改 SPI 主机发送数据 */
            spi2_txbuff[0] ++;
            spi2_txbuff[1] += 2;
            
            /* 拉低片选 等待状态稳定后开始传输*/
            HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            HAL_Delay(2);
            /* SPI 主机产生  CLK ，数据开始传输 */
            HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2, spi2_txbuff, spi2_rxbuff, 2, 1000);
            /* 释放片选 */
            HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
        }
    }
    
void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if (hspi == &hspi4)
    {
        /* 对比 SPI2 主机发送的消息与 SPI4 从机接收的消息是否一致 */
        if(Buffercmp(spi2_txbuff, spi4_rxbuff, 2))
        {
            slave_error_num++;
            printf("SPI_SLAVE  error is %d\r\n",slave_error_num);
        }
        spi_flag = 1;
    }
}
```

6. 注意事项

- 实验使用了 DMA，确保数据的缓存区是在 AXI RAM 区域段，也就是既地址是（0x2400 0000） 之后
- 在主机传输数据前，确保从机已经准备就绪

## 总结

本文仅仅是双机通信的简单实现，只能验证 SPI 从机的功能正常，假想了一下 SPI 主从双机协议栈实现的需要考虑的问题点，希望有大佬能指点一下。

1. 从机如何获取 CS 的状态

主机在发起之前会拉低 CS，从机使用了硬件 CS，这个硬件 CS 不会产生中断通知到用户，时候需要从机单独设计一个引脚和 CS 连在一起来捕获这个下降沿。捕获这个下降沿有什么作用。

2. 主机获取从机的状态

从机数据是否准备就绪，从机提供一个 BUSY 引脚，主机通过读取 BUSY 引脚的状态来确定从机的状态，在高速传输过程中，从机也可以主动的通知到主机数据已经准备就绪，可以来读数据了。

3. 全双工模型的实现

SPI 是全双工的，可以同时收发数据，常见的场景如读写 FLASH，这些都是主从式的半双工模型，哪些场景下会真正的用到 SPI 的全双工，全双工是如何实现的。