探秘 SPI 總線

“詳解串行外設(shè)接口及其與存儲器、顯示屏、Wi-Fi模塊和SD卡的通信應(yīng)用。”

在先前文章中，我探討了現(xiàn)代 OLED 顯示屏與裸機(jī)微控制器對接的驚人便捷性。我的觀點(diǎn)很簡單：多數(shù)嵌入式應(yīng)用中，采用完整 Linux SoC 平臺（如樹莓派）不僅冗余，反而會引發(fā)更多待解難題。

可能會有人反駁：OLED 模塊或許是個(gè)特例。比如為 MCU 添加無線連接或外部閃存模塊，工程復(fù)雜度必定陡增。

雖無普適答案，但我認(rèn)為 OLED 相關(guān)的練習(xí)比大多數(shù)練習(xí)都要更難。在無需千兆級傳輸速率的場景中，嵌入式外設(shè)多采用串行外設(shè)接口（SPI）：這種極其簡單的全雙工總線輕松實(shí)現(xiàn)超 50 Mbps 傳輸速率，且通常規(guī)避了 OLED 內(nèi)存排序邏輯等異常設(shè)計(jì)。

SPI 的基本原理和操作方式很容易理解：由 MCU 主導(dǎo)通信流程。當(dāng)需傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，MCU 將對應(yīng)外設(shè)的「片選」（CS-）引腳拉低，并向總線 SCK（串行時(shí)鐘）線輸出時(shí)鐘信號。MCU 通過 MOSI（主出從入）逐位發(fā)送數(shù)據(jù)（通常在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)），外設(shè)則通過 MISO（主入從出）并行回應(yīng)。

常用（“模式 0”）的 SPI 協(xié)議要點(diǎn)

時(shí)鐘信號在傳輸單個(gè)字節(jié)或其整數(shù)倍后自動停止。當(dāng) MCU 需單向接收數(shù)據(jù)時(shí)，可通過 MOSI 發(fā)送虛擬字節(jié)以激活總線時(shí)鐘，同時(shí)讀取 MISO 數(shù)據(jù)；同理，外設(shè)亦可借此機(jī)制保持通信同步。

盡管從某種角度來說，為 SPI 總線提供硬件驅(qū)動可能并不是絕對必要的，但很多微控制器還是會提供一個(gè)針對 SPI 總線的硬件驅(qū)動。以 ATmega328P 為例，其 SPI 數(shù)據(jù)寄存器（SPDR）具備自動收發(fā)功能：當(dāng)向該寄存器寫入字節(jié)時(shí)，系統(tǒng)自動執(zhí)行 SPI 總線傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，該寄存器還會被來自 MISO（Master In Slave Out）的數(shù)據(jù)替換。傳輸完成時(shí)，微控制器就會在 SPI 狀態(tài)寄存器（SPSR）中設(shè)置“SPI 完成”（SPIF）標(biāo)志位。

假設(shè)我需要將 ATmega328P 與一款 128kB SRAM模塊（型號23LC1024）對接。該模塊僅有 8 個(gè)引腳：2 個(gè)電源引腳（支持 2.5-5.5V 輸入），4 個(gè)基礎(chǔ) SPI 接口引腳，以及 2 個(gè)無需連接的冗余引腳。具體連接時(shí)，需將模塊的"串行輸入"（SI）引腳接至 MCU 的 MOSI 線路，"串行輸出"（SO）引腳接至 MISO 線路，SCK（時(shí)鐘）線需互聯(lián)。最后的"片選"（CS-）引腳可接至 MCU任意輸出線，本例將采用端口B的第 0 位。

完成硬件連接后，需返回微控制器進(jìn)行配置：通過 DDRB 寄存器的位映射設(shè)置 MOSI 和 SCK 引腳為輸出模式，MISO 為輸入模式（如先前所述）。接著在 SPI 配置寄存器（SPCR）中激活兩個(gè)標(biāo)志位："SPI 使能"（SPE）與"主控模式"（MSTR）:

DDRB=0b11101111;SPCR= (1<< SPE) | (1?<< MSTR);

除基本配置外，SPCR 寄存器還支持總線速率分頻設(shè)置（如SPI2X、SPR1/SPR0位），但實(shí)驗(yàn)階段默認(rèn)速率（通常為系統(tǒng)時(shí)鐘的1/4）已能滿足需求。完成寄存器初始化后，可通過以下函數(shù)實(shí)現(xiàn)與存儲控制器的單字節(jié)雙向通信：

uint8_tspi_rxtx_byte(uint8_tval){ SPDR = val;while(!(SPSR & (1<< SPIF)));??return?SPDR;}

應(yīng)用層協(xié)議也很簡單，寫入流程如下：

發(fā)送寫指令碼 0x02

發(fā)送 3 個(gè)字節(jié)的寫入地址

連續(xù)發(fā)送待寫入數(shù)據(jù)流

拉高 CS- 引腳結(jié)束操作

雖然圖表看似復(fù)雜，但實(shí)現(xiàn)這一功能的代碼卻簡單而貼心：

voidwrite_ext_ram_bytes(uint32_taddr,constuint8_t* ptr,uint16_tlen){ PORTB &= ~1;/* CS- down */spi_rxtx_byte(0x02);spi_rxtx_byte(addr >>16);spi_rxtx_byte(addr >>8);spi_rxtx_byte(ext_addr);while(len--)spi_rxtx_byte(*(ptr++)); PORTB |=1;/* CS- up */}

讀取存儲器的工作原理大致相同，MCU 會發(fā)送一條 “讀取 ”命令 (0x03)，然后不斷發(fā)送虛字節(jié)，同時(shí)保存從存儲器芯片收到的響應(yīng)：

voidread_ext_ram_bytes(uint32_taddr,uint8_t* ptr,uint16_tlen){ PORTB &= ~1;/* -CS down */spi_rxtx_byte(0x03);spi_rxtx_byte(addr >>16);spi_rxtx_byte(addr >>8);spi_rxtx_byte(addr);while(len--) *(ptr++) =spi_rxtx_byte(0); PORTB |=1;/* -CS up */}

無論是與SRAM芯片通信、對接非易失性閃存控制器、驅(qū)動SD存儲卡，還是操作樂鑫（Espressif）等廠商推出的低成本W(wǎng)iFi+TCP/IP模組，SPI總線協(xié)議棧的核心交互邏輯均高度統(tǒng)一。
值得關(guān)注的是，當(dāng)前主流WiFi模組的應(yīng)用層協(xié)議竟沿用了1980年代Hayes調(diào)制解調(diào)器的指令體系（經(jīng)適度現(xiàn)代化改造）。例如，開發(fā)者仍可通過經(jīng)典"AT"指令集發(fā)起HTTP請求——這種將復(fù)古命令行與現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合的設(shè)計(jì)，堪稱嵌入式領(lǐng)域的"復(fù)古科技彩蛋"。

原文轉(zhuǎn)載自：https://lcamtuf.substack.com/p/mcu-land-part-2-mysteries-of-the，經(jīng)過翻譯及校驗(yàn)

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