外设驱动库开发笔记43：GPIO模拟SPI驱动

  SPI总线是我们常用的串行设备接口，一般情况下我们都会适应硬件SPI接口，但有些时候当硬件端口不足时，我们也希望可以使用软件来模拟SPI硬件接口，特别是要求不是很高的时候。在这一篇中我们将来讨论如何使用GPIO和软件来模拟SPI通讯接口。

1、功能概述

  SPI即串行外设接口，是一种同步串行通讯接口，用于微处理器及控制器和外围扩展芯片之间的串行连接，现已发展成为一种工业标准。

1.1、物理层

  SPI总线在物理层通常使用3条总线及1条片选线，3条总线分别为 SCK、 MOSI、 MISO，片选线为NSS，它们的作用介绍如下：
  NSS( Slave Select)，从设备选择信号线，常称为片选信号线。在SPI协议中没有设备地址，所以需要使用NSS信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。
  SCK (Serial Clock)，时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不一样，如 STM32 的 SPI 时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。
  MOSI (Master Output， Slave Input)，主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。
  MISO(Master Input,， Slave Output)，主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。
  对于使用SPI总线来进行通讯的设备，一台主机可以与多台从机进行通讯，时钟与数据总线为公用，片选线每台从机都是独立的，具体连接方式如下图所示：

  也就是说，有多个SPI从设备与SPI主机通讯时，设备的时钟线和总线数据线 SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这 3 条总线。而每个从设备都拥有独立的一条NSS信号线，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。

1.2、协议层

  我们已经简述了SPI总线的物理连接方式，接下来我们再来了解一下具体的通讯协议。在了解协议前，我们需要清楚两个概念，即时钟的极性和时钟的相位。
  所谓时钟极性，通常称作CPOL，即是指在空闲状态下，时钟所处的电平状态。如果SCLK在数据发送之前和之后的空闲状态是高电平，那么就是CPOL=1；如果空闲状态SCLK是低电平，那么就是 CPOL=0。
  而时钟的相位，通常称作CPHA，就是指数据采样是在时钟脉冲的第1个跳变沿还是在第2个跳变沿。如果在SCK的第1个跳变沿进行数据采样，则CPHA=0；如果在SCK的第2个跳变沿采样，则CPHA=1。
  在通讯协议中，根据CPOL和CPHA的取值不同存在4种不同的配置方式，不同的配置方式对应不同的通讯模式。
  （1）当CPOL=0，CPHA=0时，空闲状态时钟SCK的电平要保持在低电平，而数据的采样时刻在时钟脉冲的奇数跳变边沿，其时序图如下：

  （2）当CPOL=0，CPHA=1时，空闲状态时钟SCK的电平要保持在低电平，而数据的采样时刻在时钟脉冲的偶数跳变边沿，其时序图如下：

  （3）当CPOL=1，CPHA=0时，空闲状态时钟SCK的电平要保持在高电平，而数据的采样时刻在时钟脉冲的奇数跳变边沿，其时序图如下：

  （4）当CPOL=1，CPHA=1时，空闲状态时钟SCK的电平要保持在高电平，而数据的采样时刻在时钟脉冲的偶数跳变边沿，其时序图如下：

  根据这时钟情况，将SPI总线的工作模式分为4种，如下图所示：

  而只有主机与从机拥有相同的工作模式时，主从机之间才可以正常通讯。在实际应用中，“模式 0”与“模式 3”是比较常见的工作模式，但在我们的驱动设计中应该兼顾这4种模式，以具备更广泛的适应性。

2、驱动设计与实现

  我们已经简要的描述了SPI通讯总线的物理连接和通讯协议，接下来我们将根据其协议的特性设计并实现基于GPIO模拟的SPI总线驱动。

2.1、对象定义

  我们依然使用基于对象的思想来实现基于GPIO模拟的SPI总线驱动。既然是基于对象，那么在使用一个对象之前我们需要先获得这个对象。所以我们必须先定义一个基于GPIO模拟的SPI总线的对象。

2.1.1、对象的抽象

  我们要得到基于GPIO模拟的SPI总线的对象，需要先分析其基本特性。一般来说，一个对象至少包含属性与操作两方面的特性。接下来我们就来从这两个方面思考一下基于GPIO模拟的SPI总线的对象。
  我们首先来考虑对象的属性，作为属性肯定是用于标识或记录对象特征的东西。我们在前面已经了解到SPI总线的一些特点和独特设定，那么这些特点和设定是否能成为对象的属性呢？
  我们考虑到作为同步总线，SPI总线的控制需要时钟，这关系到SPI总线的通讯速率，这一通讯速率不仅配置SPI总线的工作方式也标识当前的工作状态，所以我们将工作速率作为模拟SPI总线对象的一个属性。在前面我们讨论过SPI总线的工作模式，工作模式由CPOL和CPHA决定，所以在初始化总线时就会确定工作模式，所以我们需要记录CPOL和CPHA，我们将CPOL和CPHA也作为对象的属性。
  接下来我们考虑GPIO模拟SPI总线的操作问题。我们将那些对象要实现的，并且依赖于具体的平台的行为实现定义为对象的操作。对