SPI通讯

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前言

本章可与I2C章节对比阅读，体会两种通讯总线差异。本章主要对SPI协议层进行总结。

一、介绍SPI通讯

基本概念

SPI通讯是一种串行数据传输接口，通常用于在数字系统中通过高速（Mbps）的方式进行短距离通信。它被广泛应用于嵌入式系统、传感器网络、外围设备等领域。
SPI通讯设备之间的常用连接方式见下图。

工作原理

SPI通讯使用3条总线及片选线，3条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为NSS ，它们的作用介绍如下：
SCK （Serial Clock）：时钟信号线，用于通讯数据同步。
MOSI （Master Output， Slave Input）：主设备输出/从设备输入引脚。
MISO（Master Input，Slave Output）：主设备输入/从设备输出引脚。
NSS（Slave Select）：从设备选择信号线，即有几个从设备就有几个NSS引脚。

二、总线结构

基本通讯过程

这是一个主机的通讯时序。NSS、SCK、MOSI信号都由主机控制产生，而MISO的信号由从机产生。

先发送高位再发送低位，发送完一个字节之后无需应答即可开始下个字节，NSS片选从设备作为起始/终止信号

数据有效性

1. 在时钟线SCK上升沿/下降沿（CPOL=0/1）时，MOSI及MISO数据传输一位 数据传输时
2. MSB先行或LSB先行并没有作硬性规定，但要保证两个SPI通讯设备之间使用同样的协定
3. SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制

CPOL/CPHA及通讯模式

SPI一共有四种通讯模式，如图

CPOL	CPHA	空闲时SCK时钟	采样时刻
0	0	低电平	奇数边沿
0	1	低电平	偶数边沿
1	0	高电平	奇数边沿
1	1	高电平	偶数边沿

代码分析

1. 打开SPI 总线的设备文件
2. 设置SPI 工作模式
3. 设置SPI通信过程中一个字节所占的位数（8）
4. 设置SPI通信的波特率（500K）

static  uint32_t mode = SPI_MODE_2;    //用于保存 SPI 工作模式
static  uint8_t bits = 8;        // 接收、发送数据位数
static  uint32_t speed = 500000; // 发送速度

/*
* 初始化SPI
*/
void spi_init(void)
{
  int ret = 0;
  /*-------------------第一部分-------------------------*/
  /*打开 SPI 设备*/
  fd = open("/dev/spidev2.0", O_RDWR);
  if (fd < 0)
  {
    pabort("can't open /dev/spidev2.0 ");
  }

  /*-------------------第二部分-------------------------*/
  /*
      * spi mode 设置SPI 工作模式
      */
  ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MODE32, &mode);
  if (ret == -1)
    pabort("can't set spi mode");

  ret = ioctl(fd, SPI_IOC_RD_MODE32, &mode);
  if (ret == -1)
    pabort("can't get spi mode");

  /*-------------------第三部分-------------------------*/
  /*
      * bits per word  设置一个字节的位数
      */
  ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD, &bits);
  if (ret == -1)
    pabort("can't set bits per word");

  ret = ioctl(fd, SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD, &bits);
  if (ret == -1)
    pabort("can't get bits per word");

  /*-------------------第四部分-------------------------*/
  /*
      * max speed hz  设置SPI 最高工作频率
      */
  ret = ioctl(fd, SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ, &speed);
  if (ret == -1)
    pabort("can't set max speed hz");

  ret = ioctl(fd, SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ, &speed);
  if (ret == -1)
    pabort("can't get max speed hz");

  printf("spi mode: 0x%x\n", mode);
  printf("bits per word: %d\n", bits);
  printf("max speed: %d Hz (%d KHz)\n", speed, speed / 1000);
}

SPI发送：将要发送的数据填入结构体spi_ioc_transfer，然后调用ioctl函数执行发送

void transfer(int fd, uint8_t const *tx, uint8_t const *rx, size_t len)
{
  int ret;
  /*------------------第一部分--------------------*/
  struct spi_ioc_transfer tr = {
      .tx_buf = (unsigned long)tx,
      .rx_buf = (unsigned long)rx,
      .len = len,
      .delay_usecs = delay,
      .speed_hz = speed,
      .bits_per_word = bits,
      .tx_nbits = 1,
      .rx_nbits = 1
  };

  /*------------------第二部分--------------------*/
  ret = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr);
  if (ret < 1)
  {
    pabort("can't send spi message");
  }
}
/*-------------------第一部分---------------------*/
/*SPI 接收 、发送 缓冲区*/
unsigned char tx_buffer[100] = "hello the world !";
unsigned char rx_buffer[100];

/*-------------------第二部分---------------------*/
int main(int argc, char *argv[])
{
     /*初始化SPI */
     spi_init();

     /*执行发送*/
     transfer(fd, tx_buffer, rx_buffer, sizeof(tx_buffer));

     /*打印 tx_buffer 和 rx_buffer*/
     printf("tx_buffer: \n %s\n ", tx_buffer);
     printf("rx_buffer: \n %s\n ", rx_buffer);

     close(fd);

     return 0;
}

三、SPI与I2C对比

1. I2C速率：标准: 100 KHz、快速: 400 KHz、快速+: 1 MHz、高速: 3.4 MHz。
   SPI速率：主要取决于 CPU 的 SPI 控制器和时钟(clock)。常用设备比如STM32F103 最高支持 18 MHz、i.MX6ULL 最高支持 52 MHz、W25Q128 最高支持 80 MHz。
   因此 I2C适用于低速外围设备，多用于传输命令；SPI适用于高速应用，如SD卡、液晶屏多用于传输数据。
2. IIC为半双工，SPI为全双工
3. IIC有应答机制、信号，SPI无
4. IIC的时钟和极性是固定的(空闲时高电平，SCL为高电平时读取数据)，SPI是可以变化设置的
5. 寻址方式不同，IIC是发送一个字节去寻址，SPI通过片选位选择

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