SPI 主从双机通讯的实现

SPI 主从双机通讯的实现

前言

在嵌入式学习的路上，SPI 是一个非常常见的外设，但是大部分使用的场景是作为主机，关于从机的实现可以参考的例程比较少见，本着学习理解的态度，对 SPI 的双机通讯做了一些试验，发现一个好的 SPI 从机实现需要考虑的方方面面非常多，本文仅实现通选，未实现协议层的传输。

本文使用 ART-Pi ，单板完成 SPI 双机通讯试验,主机是 SPI2 ，从机使用 SPI4.

一、SPI 的模式

SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。

SPI 的主从双方必须设置一致的通讯模式才能完成正常的通讯，有部分厂商的模块可能会同时支持两种模式，但是在 MCU 之间的通讯只能配置为双方一致的模式。

SPI 通过 CPOL(时钟极性) 和 CPHA(时钟相位) 来确定数据的传输模式，因此有以下四种模式；

CPOL(时钟极性)：表示 CLK 处于空闲时的状态，可以是高电平也可以是低电平

CPHA(时钟相位)：表示数据采样的边沿以及发送的边沿。

从设备的时钟由主设备通过 SCLK 提供，MOSI、MISO 则基于此脉冲完成数据传输。

接线方式如下图所示：

二、SPI 的工作模式

SPI 有 3 种工作模式，分别是轮询，中断和 DMA，因为 SPI 是全双工，发送数据的同时也会收到数据，也就是在 SPI 的 CLK 产生之后，发送和接收数据寄存器里面保存的就是实际的数据。本次实验主机使用轮询模式，从机使用什么模式接下来对不同的模式进行分析。下图描述了 SPI 传输的过程

1. 轮询模式

轮询模式顾名思义不断的轮训检查

while((initial_TxXferCount >0UL)||(initial_RxXferCount >0UL))
{
    ...
}

检查要接收的数据和要发送的数据是否为 0 ，如果不为 0 ，就是不断检查收发寄存器的状态标志位，直到接收到预期的数据或者直至超时退出 。

一般场景主机使用轮询模式即可，因为从机需要接收到主机的 CLK 之后才能收发数据，从机使用轮询模式，那么就需要从机一直守在这，一直检查寄存器，那从机就干不了其他事情了，因此从机不适合使用轮询模式。

2. 中断模式

中断模式下会根据对 SPI 的配置来使能对应的中断位。

/* Enable EOT, DXP, UDR, OVR, FRE, MODF and TSERF interrupts */
__HAL_SPI_ENABLE_IT(hspi,(SPI_IT_EOT | SPI_IT_DXP | SPI_IT_UDR | SPI_IT_OVR | SPI_IT_FRE | SPI_IT_MODF | SPI_IT_TSERF));

通过上面的配置可以看到，如果 SPI 的 FIFO 设置为1 的情况下，那么就是每收发一个字节都会产生一个中断，虽然可以用，大数据高速率传输会导致中断响应太频繁，导致实时性下降。

3. DMA 模式

DMA 模式又分为循环模式和普通模式。

• 循环模式就是 DMA 自己不停的从 RAM 与 SPI DR 寄存器交换数据，每次收发数据完成都会产生一个完成中断，在考虑主从之间协议交互的时候，不能确定从机什么时候数据已经准备好了。如果主机发起的 CLK 读取的数据少于 DMA BUFF 的缓存区则会出现数据会继续在 RAM 地址之后放置。
• 普通模式每次使能 DMA 一次传输完成之后，需要用户再次使能 DMA 传输。从机可以在数据已经准备妥当之后，再激活 DMA 的传输，同时也可以通过其他的方式去通知到主机。再次启动 DMA 传输之后，从机接收的数据会从 DMA 缓存区的起始位置开始存放数据，方便数据的解析。

综上所述，本次实验主机使用轮询模式，从机使用 DMA 普通模式。

三、SPI 的配置

本次实验借助 CUBEMX 工具来进行配置。

1. 使能 SPI 的时钟

将 SPI2 和 SPI4 的时钟源都配置为 100M

2. 对主机进行配置

设置 SPI 为全双工，使用软件 CS，8 个数据位，MSB，做了 256 分频是考虑到实验使用的是杜邦线，CPOL 和 CPHA 怎么配置无所谓，确保从机和主机一致即可。

3. SPI 双机配置

配置为从机模式，使用硬件 CS，其他配置保持和主机一致，因为从机的时钟由主机人提供，所以这里可以看到从机不需要配置时钟。

收发模式都设置为 DMA 普通传输模式。

使能外设中断和 DMA 中断。

4. 关闭 CACHE

为了保证 CACHE 对本次实验的影响，默认关闭 CACHE

实验代码

在编写实验代码之前，先梳理一下应该如何测试：

1. 使能外设（CUBEMX 配置会自动完成）；
2. 启动 SPI 从机的 DMA 传输；
3. 主机读取数据；
4. 从机接收收据，接收完成后执行接收完成回调函数；
5. 校验数据。

/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_SPI2_Init();
MX_SPI4_Init();
MX_UART4_Init();

/* Initialize interrupts */
MX_NVIC_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* 拉高主机的 CS */
HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
/* 设置从机的收发数据缓存区，长度为2 */
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi4, spi4_txbuff, spi4_rxbuff,2);

while(1)
{
    /* 在从机 DMA 收发完成回调中对该标志位置 1 */
    if(spi_flag)
    {
        spi_flag =0;
        /* 对比 SP2 主机接收的数据与 SPI4 从机发送的数据是否一致 */
        if(Buffercmp(spi2_rxbuff, spi4_txbuff,2))
        {
            master_error_num++;
            printf("SPI_MASTER  error is %d\r\n",master_error_num);
        }
        /* 修改 SPI 从机发送缓存区中的数据 */
        spi4_txbuff[0]++;
        spi4_txbuff[1]+=2;
        /* 开启一轮新的传输 */
        HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi4, spi4_txbuff, spi4_rxbuff,2);
    }
    else
    {
        /* 修改 SPI 主机发送数据 */
        spi2_txbuff[0]++;
        spi2_txbuff[1]+=2;

        /* 拉低片选 等待状态稳定后开始传输*/
        HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(2);
        /* SPI 主机产生  CLK ，数据开始传输 */
        HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi2, spi2_txbuff, spi2_rxbuff,2,1000);
        /* 释放片选 */
        HAL_GPIO_WritePin(SPI2_CS_GPIO_Port, SPI2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    }
}

void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if(hspi ==&hspi4)
    {
        /* 对比 SPI2 主机发送的消息与 SPI4 从机接收的消息是否一致 */
        if(Buffercmp(spi2_txbuff, spi4_rxbuff,2))
        {
            slave_error_num++;
            printf("SPI_SLAVE  error is %d\r\n",slave_error_num);
        }
        spi_flag =1;
    }
}

注意事项

• 实验使用了 DMA，确保数据的缓存区是在 AXI RAM 区域段，也就是既地址是（0x2400 0000） 之后
• 在主机传输数据前，确保从机已经准备就绪

总结

本文仅仅是双机通信的简单实现，只能验证 SPI 从机的功能正常，假想了一下 SPI 主从双机协议栈实现的需要考虑的问题点，希望有大佬能指点一下。

1. 从机如何获取 CS 的状态

主机在发起之前会拉低 CS，从机使用了硬件 CS，这个硬件 CS 不会产生中断通知到用户，时候需要从机单独设计一个引脚和 CS 连在一起来捕获这个下降沿。捕获这个下降沿有什么作用。

1. 主机获取从机的状态

从机数据是否准备就绪，从机提供一个 BUSY 引脚，主机通过读取 BUSY 引脚的状态来确定从机的状态，在高速传输过程中，从机也可以主动的通知到主机数据已经准备就绪，可以来读数据了。

1. 全双工模型的实现

SPI 是全双工的，可以同时收发数据，常见的场景如读写 FLASH，这些都是主从式的半双工模型，哪些场景下会真正的用到 SPI 的全双工，全双工是如何实现的。