1. 概述
SPI（Serial Peripheral Interface）是YTM32B1M微控制器中的高速同步串行通信接口，支持全双工通信和多种传输模式。本文档详细解析YTM32B1M SDK中SPI驱动的实现，包括主从模式配置、传输控制、时序参数设置和DMA支持等功能。
2. 文件组织结构
2.1 头文件
-
spi_master_driver.h: SPI主机模式驱动头文件
-
spi_slave_driver.h: SPI从机模式驱动头文件
-
spi_shared_function.h: SPI共享功能和数据结构定义
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spi_hw_access.h: SPI硬件访问层头文件
2.2 源文件
-
spi_master_driver.c: SPI主机模式驱动实现
-
spi_slave_driver.c: SPI从机模式驱动实现
-
spi_shared_function.c: SPI共享功能实现
-
spi_hw_access.c: SPI硬件抽象层实现
2.3 架构层次
应用层 ↓ spi_master_driver.h/c + spi_slave_driver.h/c (高层API) ↓ spi_shared_function.h/c (共享功能层) ↓ spi_hw_access.h/c (硬件抽象层) ↓ SPI寄存器定义 ↓ SPI硬件控制器
3. 核心数据结构解析
3.1 片选信号枚举
typedef enum {
SPI_PCS0 = 0U, // 片选信号0
SPI_PCS1 = 1U, // 片选信号1
SPI_PCS2 = 2U, // 片选信号2
SPI_PCS3 = 3U, // 片选信号3
SPI_PCS4 = 4U, // 片选信号4（可选）
SPI_PCS5 = 5U, // 片选信号5（可选）
SPI_PCS6 = 6U, // 片选信号6（可选）
SPI_PCS7 = 7U, // 片选信号7（可选）
} spi_which_pcs_t;
3.2 信号极性枚举
typedef enum {
SPI_ACTIVE_HIGH = 1U, // 信号高电平有效（空闲低电平）
SPI_ACTIVE_LOW = 0U // 信号低电平有效（空闲高电平）
} spi_signal_polarity_t;
3.3 时钟相位枚举
typedef enum {
SPI_CLOCK_PHASE_1ST_EDGE = 0U, // 第1个边沿采样，第2个边沿改变
SPI_CLOCK_PHASE_2ND_EDGE = 1U // 第1个边沿改变，第2个边沿采样
} spi_clock_phase_t;
3.4 时钟极性枚举
typedef enum {
SPI_SCK_ACTIVE_HIGH = 0U, // 时钟高电平有效（空闲低电平）
SPI_SCK_ACTIVE_LOW = 1U // 时钟低电平有效（空闲高电平）
} spi_sck_polarity_t;
3.5 传输类型枚举
typedef enum {
SPI_USING_DMA = 0, // 使用DMA进行传输
SPI_USING_INTERRUPTS, // 使用中断进行传输
} spi_transfer_type;
3.6 传输宽度枚举
typedef enum {
SPI_SINGLE_BIT_XFER = 0U, // 1位传输（标准模式）
SPI_TWO_BIT_XFER = 1U, // 2位传输（双线模式）
SPI_FOUR_BIT_XFER = 2U // 4位传输（四线模式）
} spi_transfer_width_t;
3.7 传输状态枚举
typedef enum {
SPI_TRANSFER_OK = 0U, // 传输正常
SPI_TRANSMIT_FAIL, // 发送失败
SPI_RECEIVE_FAIL // 接收失败
} transfer_status_t;
3.8 SPI状态结构
typedef struct {
uint16_t bitsPerFrame; // 每帧位数（8-4096位）
uint16_t bytesPerFrame; // 每帧字节数（1-512字节）
bool isPcsContinuous; // 片选连续保持标志
bool isBlocking; // 阻塞传输标志
uint32_t spiSrcClk; // 模块源时钟
volatile bool isTransferInProgress; // 传输进行中标志
const uint8_t *txBuff; // 发送缓冲区指针
uint8_t *rxBuff; // 接收缓冲区指针
volatile uint16_t txCount; // 剩余发送字节数
volatile uint16_t rxCount; // 剩余接收字节数
volatile uint16_t txFrameCnt; // 当前帧已发送字节数
volatile uint16_t rxFrameCnt; // 当前帧已接收字节数
volatile bool lsb; // LSB优先标志
uint8_t fifoSize; // FIFO大小
uint8_t rxDMAChannel; // 接收DMA通道
uint8_t txDMAChannel; // 发送DMA通道
spi_transfer_type transferType; // 传输类型
semaphore_t spiSemaphore; // 阻塞传输信号量
transfer_status_t status; // 传输状态
spi_callback_t callback; // 传输完成回调函数
void *callbackParam; // 回调函数参数
uint32_t dummy; // DMA模式下的虚拟数据
} spi_state_t;
3.9 SPI主机配置结构
typedef struct {
uint32_t bitsPerSec; // 波特率（位/秒）
spi_which_pcs_t whichPcs; // 片选信号选择
spi_signal_polarity_t pcsPolarity; // 片选极性
bool isPcsContinuous; // 片选连续保持
uint16_t bitcount; // 每帧位数（最少8位）
spi_clock_phase_t clkPhase; // 时钟相位
spi_sck_polarity_t clkPolarity; // 时钟极性
bool lsbFirst; // LSB优先传输
spi_transfer_type transferType; // 传输类型
uint8_t rxDMAChannel; // 接收DMA通道号
uint8_t txDMAChannel; // 发送DMA通道号
spi_callback_t callback; // 传输完成回调
void *callbackParam; // 回调参数
spi_transfer_width_t width; // 传输宽度
} spi_master_config_t;
4. SPI通信协议框架图
主机设备 从机设备
┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ 主机 │ │ 从机 │
│ │ │ │
│ MOSI ────┼────────────────────────────────►│ MOSI │
│ │ │ │
│ MISO ◄───┼─────────────────────────────────┤ MISO │
│ │ │ │
│ SCK ────┼────────────────────────────────►│ SCK │
│ │ │ │
│ PCS0 ────┼────────────────────────────────►│ PCS │
│ │ │ │
└─────────────┘ └─────────────┘
时序图:
PCS ────┐ ┌────
└────────────────────────────────────┘
SCK ────┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌────
└───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘
MOSI ──── D7 ── D6 ── D5 ── D4 ── D3 ── D2 ── D1 ── D0 ────
MISO ──── D7 ── D6 ── D5 ── D4 ── D3 ── D2 ── D1 ── D0 ────
5. 核心API接口详解
5.1 初始化和配置接口
// 获取默认配置
void SPI_DRV_MasterGetDefaultConfig(spi_master_config_t *spiConfig);
// 初始化SPI主机
status_t SPI_DRV_MasterInit(uint32_t instance,
spi_state_t *spiState,
const spi_master_config_t *spiConfig);
// 去初始化SPI
status_t SPI_DRV_MasterDeinit(uint32_t instance);
// 配置总线参数
status_t SPI_DRV_MasterConfigureBus(uint32_t instance,
const spi_master_config_t *spiConfig,
uint32_t *calculatedBaudRate);
5.2 时序配置接口
// 设置传输延时
status_t SPI_DRV_MasterSetDelay(uint32_t instance,
uint32_t delayBetwenTransfers,
uint32_t delaySCKtoPCS,
uint32_t delayPCStoSCK);
// 设置片选信号
status_t SPI_DRV_SetPcs(uint32_t instance,
spi_which_pcs_t whichPcs,
spi_signal_polarity_t polarity);
5.3 轮询传输接口
// 轮询传输
status_t SPI_DRV_MasterTransferPolling(uint32_t instance,
const uint8_t *sendBuffer,
uint8_t *receiveBuffer,
uint16_t transferByteCount);
5.4 阻塞传输接口
// 阻塞传输
status_t SPI_DRV_MasterTransferBlocking(uint32_t instance,
const uint8_t *sendBuffer,
uint8_t *receiveBuffer,
uint16_t transferByteCount,
uint32_t timeout);
5.5 非阻塞传输接口
// 非阻塞传输
status_t SPI_DRV_MasterTransfer(uint32_t instance,
const uint8_t *sendBuffer,
uint8_t *receiveBuffer,
uint16_t transferByteCount);
// 获取传输状态
status_t SPI_DRV_MasterGetTransferStatus(uint32_t instance,
uint32_t *bytesRemained);
// 中止传输
status_t SPI_DRV_MasterAbortTransfer(uint32_t instance);
6. 外设应用描述
6.1 SPI的主要应用场景
-
存储器接口: Flash、EEPROM、SD卡等存储设备通信
-
显示器驱动: LCD、OLED等显示设备控制
-
传感器接口: 数字传感器数据读取
-
ADC/DAC: 外部模数/数模转换器通信
-
无线模块: WiFi、蓝牙等无线通信模块接口
-
实时时钟: RTC芯片时间设置和读取
6.2 典型应用示例
6.2.1 基本SPI主机初始化
#include "spi_master_driver.h"
// SPI状态结构
spi_state_t spiState;
void spi_master_init_example(void)
{
spi_master_config_t spiConfig;
// 获取默认配置
SPI_DRV_MasterGetDefaultConfig(&spiConfig);
// 修改配置参数
spiConfig.bitsPerSec = 1000000; // 1MHz波特率
spiConfig.whichPcs = SPI_PCS0; // 使用PCS0
spiConfig.pcsPolarity = SPI_ACTIVE_LOW; // 片选低电平有效
spiConfig.isPcsContinuous = false; // 片选不连续
spiConfig.bitcount = 8; // 8位数据帧
spiConfig.clkPhase = SPI_CLOCK_PHASE_1ST_EDGE; // 第1边沿采样
spiConfig.clkPolarity = SPI_SCK_ACTIVE_HIGH; // 时钟高电平有效
spiConfig.lsbFirst = false; // MSB优先
spiConfig.transferType = SPI_USING_INTERRUPTS; // 中断模式
spiConfig.width = SPI_SINGLE_BIT_XFER; // 单线传输
// 初始化SPI主机
status_t status = SPI_DRV_MasterInit(0, &spiState, &spiConfig);
if (status != STATUS_SUCCESS) {
// 初始化失败处理
}
}
6.2.2 轮询模式传输示例
void spi_polling_transfer_example(void)
{
uint8_t txData[4] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
uint8_t rxData[4];
// 轮询传输
status_t status = SPI_DRV_MasterTransferPolling(0,
txData,
rxData,
sizeof(txData));
if (status == STATUS_SUCCESS) {
// 传输成功，处理接收到的数据
processReceivedData(rxData, sizeof(rxData));
} else {
// 传输失败处理
}
}
6.2.3 阻塞传输示例
void spi_blocking_transfer_example(void)
{
uint8_t command = 0x9F; // 读取设备ID命令
uint8_t deviceId[3];
// 发送命令
status_t status = SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0,
&command,
NULL,
1,
1000);
if (status == STATUS_SUCCESS) {
// 读取设备ID
status = SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0,
NULL,
deviceId,
sizeof(deviceId),
1000);
if (status == STATUS_SUCCESS) {
// 处理设备ID
printf("Device ID: %02X %02X %02X\n",
deviceId[0], deviceId[1], deviceId[2]);
}
}
}
6.2.4 非阻塞传输示例
volatile bool transferComplete = false;
void spiCallback(void *driverState, spi_event_t event, void *userData)
{
if (event == SPI_EVENT_END_TRANSFER) {
transferComplete = true;
}
}
void spi_nonblocking_transfer_example(void)
{
uint8_t txData[16] = {0x01, 0x02, 0x03, /* ... */};
uint8_t rxData[16];
// 设置回调函数
spi_master_config_t spiConfig;
SPI_DRV_MasterGetDefaultConfig(&spiConfig);
spiConfig.callback = spiCallback;
spiConfig.callbackParam = NULL;
// 重新配置SPI
SPI_DRV_MasterConfigureBus(0, &spiConfig, NULL);
// 启动非阻塞传输
status_t status = SPI_DRV_MasterTransfer(0,
txData,
rxData,
sizeof(txData));
if (status == STATUS_SUCCESS) {
// 等待传输完成
while (!transferComplete) {
// 可以执行其他任务
}
transferComplete = false;
// 处理接收到的数据
processReceivedData(rxData, sizeof(rxData));
}
}
6.2.5 DMA模式传输示例
void spi_dma_setup_example(void)
{
spi_master_config_t spiConfig;
// 获取默认配置
SPI_DRV_MasterGetDefaultConfig(&spiConfig);
// 配置DMA模式
spiConfig.transferType = SPI_USING_DMA;
spiConfig.rxDMAChannel = 0; // 接收DMA通道0
spiConfig.txDMAChannel = 1; // 发送DMA通道1
spiConfig.bitsPerSec = 5000000; // 5MHz高速传输
// 初始化SPI
SPI_DRV_MasterInit(0, &spiState, &spiConfig);
// 大数据量传输
uint8_t largeTxBuffer[1024];
uint8_t largeRxBuffer[1024];
// 填充发送数据
for (int i = 0; i < sizeof(largeTxBuffer); i++) {
largeTxBuffer[i] = i & 0xFF;
}
// DMA传输
status_t status = SPI_DRV_MasterTransfer(0,
largeTxBuffer,
largeRxBuffer,
sizeof(largeTxBuffer));
if (status == STATUS_SUCCESS) {
// 检查传输状态
uint32_t bytesRemained;
do {
SPI_DRV_MasterGetTransferStatus(0, &bytesRemained);
} while (bytesRemained > 0);
// 传输完成，处理数据
processLargeData(largeRxBuffer, sizeof(largeRxBuffer));
}
}
6.2.6 Flash存储器操作示例
// Flash存储器操作示例
#define FLASH_CMD_READ_ID 0x9F
#define FLASH_CMD_READ_DATA 0x03
#define FLASH_CMD_WRITE_ENABLE 0x06
#define FLASH_CMD_PAGE_PROGRAM 0x02
#define FLASH_CMD_READ_STATUS 0x05
uint8_t flash_read_id(void)
{
uint8_t cmd = FLASH_CMD_READ_ID;
uint8_t id[3];
// 发送读ID命令
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, &cmd, NULL, 1, 1000);
// 读取ID
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, NULL, id, sizeof(id), 1000);
return id[0]; // 返回制造商ID
}
void flash_read_data(uint32_t address, uint8_t *data, uint16_t length)
{
uint8_t cmd[4];
// 构造读命令
cmd[0] = FLASH_CMD_READ_DATA;
cmd[1] = (address >> 16) & 0xFF;
cmd[2] = (address >> 8) & 0xFF;
cmd[3] = address & 0xFF;
// 发送读命令和地址
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, cmd, NULL, sizeof(cmd), 1000);
// 读取数据
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, NULL, data, length, 1000);
}
void flash_write_page(uint32_t address, const uint8_t *data, uint16_t length)
{
uint8_t cmd;
uint8_t writeCmd[4];
// 写使能
cmd = FLASH_CMD_WRITE_ENABLE;
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, &cmd, NULL, 1, 1000);
// 构造页编程命令
writeCmd[0] = FLASH_CMD_PAGE_PROGRAM;
writeCmd[1] = (address >> 16) & 0xFF;
writeCmd[2] = (address >> 8) & 0xFF;
writeCmd[3] = address & 0xFF;
// 发送页编程命令和地址
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, writeCmd, NULL, sizeof(writeCmd), 1000);
// 写入数据
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, data, NULL, length, 1000);
// 等待写入完成
uint8_t status;
do {
cmd = FLASH_CMD_READ_STATUS;
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, &cmd, NULL, 1, 1000);
SPI_DRV_MasterTransferBlocking(0, NULL, &status, 1, 1000);
} while (status & 0x01); // 等待忙标志清除
}
6.2.7 多设备管理示例
// 多设备SPI管理
typedef struct {
spi_which_pcs_t pcs;
uint32_t baudRate;
spi_clock_phase_t phase;
spi_sck_polarity_t polarity;
} spi_device_config_t;
// 设备配置表
spi_device_config_t devices[] = {
{SPI_PCS0, 1000000, SPI_CLOCK_PHASE_1ST_EDGE, SPI_SCK_ACTIVE_HIGH}, // Flash
{SPI_PCS1, 500000, SPI_CLOCK_PHASE_2ND_EDGE, SPI_SCK_ACTIVE_LOW}, // LCD
{SPI_PCS2, 2000000, SPI_CLOCK_PHASE_1ST_EDGE, SPI_SCK_ACTIVE_HIGH}, // ADC
};
void spi_select_device(uint8_t deviceIndex)
{
if (deviceIndex >= sizeof(devices) / sizeof(devices[0])) {
return;
}
spi_master_config_t spiConfig;
SPI_DRV_MasterGetDefaultConfig(&spiConfig);
// 配置设备特定参数
spiConfig.whichPcs = devices[deviceIndex].pcs;
spiConfig.bitsPerSec = devices[deviceIndex].baudRate;
spiConfig.clkPhase = devices[deviceIndex].phase;
spiConfig.clkPolarity = devices[deviceIndex].polarity;
// 重新配置总线
SPI_DRV_MasterConfigureBus(0, &spiConfig, NULL);
}
void multi_device_example(void)
{
// 与Flash通信
spi_select_device(0);
uint8_t flashId = flash_read_id();
// 与LCD通信
spi_select_device(1);
lcd_send_command(0x01); // 清屏命令
// 与ADC通信
spi_select_device(2);
uint16_t adcValue = adc_read_channel(0);
}
7. 与数据手册的对应关系
根据YTM32B1ME0数据手册中的SPI章节：
-
时钟配置: SDK中的波特率和时钟极性/相位直接对应硬件寄存器
-
片选控制: PCS信号配置对应硬件的片选控制逻辑
-
FIFO管理: 发送和接收FIFO的深度和水位配置
-
DMA支持: DMA请求信号与DMA控制器的请求源匹配
-
中断系统: 传输完成、FIFO状态等中断与硬件中断源对应
8. 最佳实践建议
-
时钟配置: 根据从设备规格选择合适的时钟频率和时序
-
片选管理: 合理管理多设备的片选信号，避免冲突
-
数据对齐: 确保数据缓冲区按照帧大小正确对齐
-
错误处理: 实现完善的传输错误检测和恢复机制
-
DMA优化: 大数据量传输时使用DMA提高效率
-
功耗考虑: 不使用时及时关闭SPI模块以降低功耗
9. 调试技巧
-
信号分析: 使用逻辑分析仪检查SPI时序和数据
-
波特率验证: 确认实际波特率与配置值一致
-
片选时序: 检查片选信号的建立和保持时间
-
FIFO状态: 监控FIFO的使用情况，避免溢出
-
中断调试: 验证中断服务程序正确执行
10. 总结
YTM32B1M的SPI控制器提供了灵活而强大的串行通信功能，支持多种传输模式和丰富的配置选项。通过合理配置和使用SPI驱动，可以实现与各种外设的高速可靠通信，满足不同应用场景的需求。掌握SPI的配置和使用方法对于开发需要外设扩展的嵌入式应用至关重要。
本文档基于YTM32B1M SDK v1.0，如有更新请参考最新版本文档。
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