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【开发板评测】Renesas RA2L1 开发板之spi测试分析

发布于 2022-10-21 00:52:19 浏览：808 订阅该版

[TOC]
# SPI模块介绍
参考`<<Renesas RA2L1 Group User’s Manual: Hardware>>`的章节`<<28. Serial Peripheral Interface (SPI) >>`

## 特征
- 2通道
- 支持全双工和仅发送模式,支持3线制和4线制
- RSPCK极性反转,相位翻转
- MSB和LSB可设置
- 位长可设置为  8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 20, 24, 32。
- 32位收发缓存,支持双缓存。
- 主模式下,RSPCK可以由PCLKB分频2~4096得到,从模式下RSPCK最大频率为PCLKB4分频。
- 支持模式错误,校验错误,上下溢出错误检测
- 支持四个片选SSL,单主模式 SSLn0~ SSLn3作为输出;多主模式 SSLn0输入,SSLn1~ SSLn3作为输出或者不用;从模式 SSLn0输入,SSLn1~ SSLn3不用。
- SSL有效到RSPCK产生时钟输出可以配置 1 ~ 8 个RSPCK延迟;RSPCK停止产生时钟输出到SSL无效可以配置 1 ~ 8 个RSPCK延迟。
- SSL无效到下次开始操作有效可以配置 1 ~ 8 个RSPCK延迟。
- 可以直接控制SSL极性
- burst可配置
- 支持以下中断源,接收缓冲满,发送缓冲空,检测到错误,SPI空闲,发送完成。
- 以上中断源支持连接到ELC模块
- 支持配置回环模式
- 支持输出引脚CMOS和开漏配置
- 可以STOP模块支持降低功耗
模块框图如下

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/64a201f451a60a528c6b3fa34ad87194.png.webp)
## 引脚

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/9c594a682c6323ddb196a80908930a41.png.webp)
## 寄存器
这里列举下各寄存器的作用,大致了解下功能,实际编程时可以参考手册。
SPCR:控制寄存器,模块模式,中断使能,模块使能等配置。
SSLP:从模式SSL极性配置
SPPCR:引脚回环设置,MOSI空闲时电平设置
SPSR:状态寄存器,可以看手法缓冲区状态,空闲状态,错误状态
SPDR/SPDR_HA/SPDR_BY:数据寄存器,根据 SPDCR.SPBYT, SPDCR.SPBYT的设置可以按照32位,16位,8位方式访问。收发都是访问该寄存器。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/5712f946783e3c039f9b05894958376d.png.webp)
对于发送直接写寄存器就是写发送缓存

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/395160affe83222f6650c1372aef988d.png.webp)
对于接收要设置SPDCR.SPRDTD用于选择读收还是法缓存

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/fb2627bb0383530b8ec8e1bfcd26dcb8.png.webp)
SPBR:波特率计算寄存器
计算公式为

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/740a05c7187ea1cbe6e4aa2fe51a582d.png.webp)
其中PCLK为FPCLKB
n为该寄存器的值0~255
N为SPCMD0.BRDV[1:0]即分频值。
SPDCR:数据控制寄存器,设置 SPDR访问的方式,和读 SPDR时是读受还是发缓存。`SPCKD:SPCMD0.SCKDEN=1`时设置 SSLni有效到RSPCK产生时钟延迟RSPCK时钟的个数,从模式要设置为0。
`SSLND:SPCMDn .SLNDEN=1`时设置RSPCK时钟停止到`SSLni`无效延迟`RSPCK`时钟的个数,从模式要设置为0。
`SPND:SPCMD0.SPNDEN=1`时设置`SSLni`无效到下一次有效延迟`RSPCK`时钟的个数,从模式要设置为0。
`SPCR2`:控制寄存器2,校验等设置
`SPCMD0:SPI`的模式,数据位数等设置。

## 操作
### 操作模式设置
支持以下模式

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/08d0a4bb35d930223a604326972f8344.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/9c5024ce0ed09f50eee9a69ed417b648.png.webp)
### 引脚设置
 PmnPFS.NCODR

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/6f44c193863e2ea6d44743a06b11d959.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/1aa8a293074a4669201510aa3ad1a40a.png.webp)
MOSI在空闲时可以配置为以下状态

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/6e7b4e0cc8137101798cfafc4433846e.png.webp)

其他数据格式,`SPI`模式,错误检测中断等参考手册。

### 软件关键操作
以下是一些关键操作可以参考手册
 
`PCLKB`时钟
`MSTPCRB`使能`SPI`模块才能访问`SPI`寄存器,默认是不使能的。

设置中断
设置引脚
`SPCR.SPE=0`初始化
`SPI`各寄存器配置 如果使用`DMADTC`配置
使能`SPI`
中断处理
# 添加SPI驱动
## 安装RA Configuration
`https://www2.renesas.cn/kr/en/software-tool/ra-smart-configurator#overview`下下载,

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/654ddb9a6d8317dc1e887f38e4bff77b.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/3cde5899ec18d24256127977a9f21aec.png.webp)
或者`wget https://github.com/renesas/fsp/releases/download/v4.0.0/setup_fsp_v4_0_0_rasc_v2022-07.exe`

下载慢可以通过以下地址加速下载
`https://gh.api.99988866.xyz/`

下载后点击安装

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/c8a14a131acb45482d13ace3c7c35955.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/16306db816e62f98e6214cfa4ccb547d.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/fc916c90307076a28887b5ef7eadbb92.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/18652a9c52cb51ecfc81049227cb9365.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/892f446a73d05088978a54cbf14d30d8.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/693893a9dced3c382efdba6a3cbf7951.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/103693926ad9b73463eed13f8f1d8b1d.png.webp)

## 添加SPI代码

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/b309a56f161778f5582156be317e5b36.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/0d60296f8f983599cda7e2bd2618c43e.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/125f2d3ed232ce3f3721319cf2ea1d54.png.webp)
`SCI0`和`SPI0`引脚重复，不使用`SCI0`,使用`SPI0`

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/b6487726b7c5cf0e2abd0525ee264912.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/7e11cd291289d9f78967793af64ddd54.png.webp)
添加如下SCI0的中断

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/88afa4db36cf1d5ca95177d08fcdbdfe.png.webp)
名字分别为
`spi_eri_isr,spi_rxi_isr,spi_tei_isr,sppi_txi_isr`不添加`idle`中断

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/a2c3718e195b75083c3f599ece1b9162.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/d9b5b39b9602db42674279c050af5431.png.webp)
设置属性,如下

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/bd012072469e94a02a1dd360e0cdcff9.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/f8b447de8ffce7148a06140a6c156f4d.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/ae1f556718ce1653f92ba8332a9b12ce.png.webp)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/4d36293639486fc0788f3ca2200bd3bd.png.webp)
添加的代码如下

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/9bddd39f9a154bba26e3173724ca3222.png.webp)

驱动代码位于
`rt-thread\bsp\renesas\libraries\HAL_Drivers\drv_spi.c和drv_spi.h`
添加到工程`Drivers`目录下。

`rtconfig.h`中添加
`#define RT_USING_SPI`

`bsp_mcu_family_cfg.h`注释掉`#include "bsp_mcu_device_pn_cfg.h"`

`bsp_cfg.h`中注释掉`#include "board_cfg.h"`

`r_spi.c`中实现了中断服务函数
```
void spi_rxi_isr(void);
void spi_txi_isr(void);
void spi_tei_isr(void);
void spi_eri_isr(void);
```
与`vector_data.c`和`vector_data.h`中对应。如果编译有错误可以看下这里名字是否对应。

`drv_spi.c`中`spi0_callback`改为`spi_callback`

编译还提示`rt_spi_bus_attach_device`找不到。

将`\rt-thread\components\drivers\spi`下的
`spi_core.c`
`spi_dev.c`
`drv_spi.c`添加到
工程`Drivers`下

## 配置
`rtconfig.h`中
添加宏
`#define RT_USING_SPI`
`#define BSP_USING_SPI0`

`#define RT_USING_DEVICE_OPS` 必须要否则
`rt_spi_bus_device_init`中
```
#ifdef RT_USING_DEVICE_OPS
    device->ops     = &spi_bus_ops;
#else
```
不会执行

`rt_spi_configure`时会调用`device->bus->ops->configure(device, &device->config);`空函数指针导致`hardfault`。

编译OK

运行输入`list device`就可以看到由`spi0`的设备了。

```
msh >list device
device           type         ref count
-------- -------------------- ----------
spi0     SPI Bus              0       
uart9    Character Device     2       
pin      Pin Device           0       
msh >
```

# SPI驱动的使用
参考`https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/device/spi/spi`

挂载`SPI`设备
`drv_spi.c中rt_hw_spi_device_attach`调用`rt_spi_bus_attach_device`

配置`SPI`设备
`rt_spi_configure`

其他接口参考网页文档
函数	描述
`rt_device_find()`根据 SPI 设备名称查找设备获取设备句柄
`rt_spi_transfer_message()`自定义传输数据
`rt_spi_transfer()`传输一次数据
`rt_spi_send()`发送一次数据
`rt_spi_recv()`接受一次数据
`rt_spi_send_then_send()`连续两次发送
`rt_spi_send_then_recv()`先发送后接收

# SPI驱动分析
初始化过程
定义了`RT_USING_SPI`时
`drv_spi.c`中
`INIT_BOARD_EXPORT(ra_hw_spi_init);`
展开就是
`__attribute__((used)) const init_fn_t __rt_init_ra_hw_spi_init __attribute__((section(x)))(.rti_fn.1) = fn`
也就是定义了`typedef int (*init_fn_t)(void);`函数指针类型的变量
`__rt_init_ra_hw_spi_init`其值就是函数`ra_hw_spi_init`，变量放在了`.rti_fn.1`段。

类似的以下分别定义了连个变量
```
static int rti_board_start(void)
{
    return 0;
}
INIT_EXPORT(rti_board_start, "0.end");

static int rti_board_end(void)
{
    return 0;
}
INIT_EXPORT(rti_board_end, "1.end");
const init_fn_t __rt_init_rti_board_start __attribute__((section(.rti_fn.0.end))) = rti_board_start
const init_fn_t __rt_init_rti_board_end __attribute__((section(.rti_fn.1.end))) = rti_board_end
```
上面定义的`__rt_init_ra_hw_spi_init`位于段`.rti_fn.1`
所以位于段`.rti_fn.0.end`和段`.rti_fn.1.end`之间(按照字母顺序排列)。

`rt_components_board_init`函数中
```
    for (fn_ptr = &__rt_init_rti_board_start; fn_ptr < &__rt_init_rti_board_end; fn_ptr++)
    {
        (*fn_ptr)();
}
```
就是遍历上述定义的两个变量之间,从`__rt_init_rti_board_start`开始找到`__rt_init_rti_board_end`结束
中间就会找到`__rt_init_ra_hw_spi_init`调用其值指向的函数即调用`ra_hw_spi_init`

调用过程如下
```
rtthread_startup->
rt_hw_board_init->
rt_components_board_init->
ra_hw_spi_init->
rt_spi_bus_register->
```

互斥量
其中`rt_spi_bus_register`时会创建互斥量
`rt_mutex_init(&(bus->lock), name, RT_IPC_FLAG_PRIO);`
`rt_spi_send_then_recv`等接口中
`rt_mutex_take`会使用。

`cs`引脚
`ra_hw_spi_configure`时`spi_dev->cs_pin = (rt_uint32_t)device->parent.user_data;`会用到
所以`rt_spi_bus_attach_device(&spi_dev,"spi00", "spi0", (void*)spi_cs);`注意这里`spi_cs`前不要加`&`不是传其地址,而是就是传其值,只不过强制转换为(void*).
`(rt_uint32_t)device->parent.user_data`用的时候还是会强制转为`(rt_uint32_t)`。

顺便提一下`pin`驱动
`drv_pgio.c`中
`const static struct rt_pin_ops _ra_pin_ops`实现了`io`操作接口。
比如`ra_pin_write`
最终是调用`R_BSP_PinWrite`
通过`bsp_io_port_pin_t`可以看到
我们`spi0`使用的是`p103`所以对应的`pin`号是
```
BSP_IO_PORT_10_PIN_03 = 0x0A03,    ///< IO port 10 pin 3
```

`spi`底层配置
```
rt_spi_configure->
device->bus->ops->configure(device, &device->config);->
ra_hw_spi_configure->
R_SPI_Open
```
进行相应的底层初始化

其中`ra_hw_spi_configure`在
```
rt_err_t err = rt_spi_bus_register(&spi_config[spi_index].bus, spi_handle[spi_index].bus_name, &ra_spi_ops);
```
时注册
```
static const struct rt_spi_ops ra_spi_ops =
{
    .configure = ra_hw_spi_configure,
    .xfer = ra_spixfer,
};
```

中注册的
此时可以看到`spi0`总线和`spi00`设备
```
msh >list device
device           type         ref count
-------- -------------------- ----------
spi00    SPI Device           0       
spi0     SPI Bus              0       
uart9    Character Device     2       
pin      Pin Device           0       
msh >
```
# 回环测试
将P100 J2-16和P101 J2-15短接在一起，也就是SPI0的MISO和MOSI短接在一起。
测试代码如下
`hal_entry.c`
```
/*
 * Copyright (c) 2006-2021, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author        Notes
 * 2021-10-10     Sherman       first version
 */
#include <rtthread.h>
#include "hal_data.h"
#include <rtdevice.h>
#include <drv_spi.h>

#define LED1_PIN    "P502" /* Onboard LED pins */
#define USER_INPUT  "P004"

void hal_entry(void)
{
    rt_kprintf("\nHello RT-Thread!\n");
    rt_uint32_t led1_pin = rt_pin_get(LED1_PIN);

uint8_t sendbuf[6]={0,1,2,3,4,5};
	  uint8_t readbuf[6]={0,0,0,0,0,0};
	  
    rt_err_t res;
	  static struct rt_spi_device spi_dev; 
	  static rt_uint32_t spi_cs = BSP_IO_PORT_10_PIN_03;
		res = rt_spi_bus_attach_device(&spi_dev,"spi00", "spi0", (void*)spi_cs);
    if (res != RT_EOK)
    {
        rt_kprintf("rt_spi_bus_attach_device!\r\n");
    }
		else
		{
			  rt_pin_mode(spi_cs, PIN_MODE_OUTPUT);   
				rt_pin_write(spi_cs, PIN_HIGH);
			
        struct rt_spi_configuration cfg;
				cfg.data_width = 8;
			  cfg.max_hz = 12000000;
			  cfg.mode = RT_SPI_MODE_1 | RT_SPI_MSB;
			  spi_dev.bus->owner = &spi_dev; 
			  rt_spi_configure(&spi_dev,&cfg);
			  rt_kprintf("spi0 send:\r\n");
				for(int i=0;i<sizeof(sendbuf);i++)
				{
						rt_kprintf("%02x ",sendbuf[i]);
				}
				rt_kprintf("\r\n");
				rt_spi_transfer(&spi_dev, sendbuf, readbuf, sizeof(sendbuf));
				rt_kprintf("spi0 rcv:\r\n");
				for(int i=0;i<sizeof(readbuf);i++)
				{
						rt_kprintf("%02x ",readbuf[i]);
				}
				rt_kprintf("\r\n");
		}
		
    while (1)
    {
        rt_pin_write(led1_pin, PIN_HIGH);
        rt_thread_mdelay(500);
        rt_pin_write(led1_pin, PIN_LOW);
        rt_thread_mdelay(500);
    }
}

void irq_callback_test(void *args)
{
    rt_kprintf("\n IRQ03 triggered \n");
}

void icu_sample(void)
{
    /* init */
    rt_uint32_t pin = rt_pin_get(USER_INPUT);
    rt_kprintf("\n pin number : 0x%04X \n", pin);
    rt_err_t err = rt_pin_attach_irq(pin, PIN_IRQ_MODE_RISING, irq_callback_test, RT_NULL);
    if (RT_EOK != err)
    {
        rt_kprintf("\n attach irq failed. \n");
    }
    err = rt_pin_irq_enable(pin, PIN_IRQ_ENABLE);
    if (RT_EOK != err)
    {
        rt_kprintf("\n enable irq failed. \n");
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(icu_sample, icu sample);

```
看到收到的和发送的一致说明回环测试OK,该测试不能测试CLK和CS，CLK和CS可以使用逻辑分析监控。

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20221021/7b1075ff8eb27ad3d6484b323dd38bab.png.webp)

# 总结
rt-thread的spi设备驱动比较绕，对于新手来说会遇到很多坑，任何一个坑都可能导致异常，这是一个非常痛苦的过程，个人认为搞得太复杂了。
官方的文档
https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/device/spi/spi?id=spi-%e8%ae%be%e5%a4%87%e4%bd%bf%e7%94%a8%e7%a4%ba%e4%be%8b
只是单纯的描述各个API接口，并没有解释说明，spi驱动的架构，怎么初始化，设备怎么注册，底层到底是怎么配置的，cs引脚到底是怎么关联的等等，文档有待加强。对于一个初使用该系统环境的开发人员来说十分不友好。

另外驱动太绕，各种指针回调，反复绕，实际上是可以简化的，没必要搞得这么复杂，对于嵌入式简单即是美。
另外一方面驱动并没有完全抽象出来，理论上驱动应该是完全可移植的，底层只依赖一组最小的HAL操作接口，比如SPI的send，read，收发中断回调，参数配置等这几个接口，驱动层只应该调用这几个接口，这几个接口不同芯片不同实现即可。而不是整个drv_xxx.c都要根据不同芯片改写。drv_xxx.c应该是完全复用的，其实现缓冲取，消息对列等操作应该是完全抽象可移植的。而现在的做法是每个芯片都实现一套bsp，每套bsp里都要写drv文件，工作量太大了，没有分好层次，严格界定驱动和HAL的界限，反而是搞了一套设备的注册接口，各种回调，指针，搞得很复杂，有点注重形式轻内在了。现在这种做法是方便编译构建，但是没有真正的分好驱动层的架构，使用容易出错且复杂不好调试。