《嵌入式系统设计-基于ARM Cortex-A9 多核处理器Linux编程》第14章 串行外设接口(SPI)介绍

第14章SPI串行外设接口总线

SPI(SerialPeripheralInterface，串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外设以串行方式进行通信。外设可以是FlashRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可以直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线(MISO)、主机输出/从机输入数据线(MOSI)和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线(INT)，有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线)。SPI串行外设接口总线相比I2C总线效率要高，因为它是双工的，但比I2C要多使用两根数据线。本章介绍SPI串行外设接口的原理、接口控制寄存器的配置和使用、SPI串行外设接口编程。本章内容较多且较复杂，同学可根据需要、精力、兴趣取舍。§14.1SPI接口及操作§14.2SPI接口寄存器§14.3MCP2515芯片介绍§14.4硬件实验电路§14.5SPI2实验程序主要内容§14.1SPI接口及操作14.1.1SPI串行外设接口的原理14.1.2SPI串行外设接口的特性14.1.1SPI串行外设接口的原理SPI接口是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM、Flash、实时时钟、AD转换器，以及数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI接口在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到数Mbps。SPI接口是以主从方式工作的，这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件。接口包括以下4种信号。1.MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入。2.MISO：主器件数据输入，从器件数据输出。3.SCLK：时钟信号，由主器件产生。4.：从器件使能信号，由主器件控制。在点对点通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，简单高效。在多个从器件的系统中，每个从器件都需要独立的使能信号，由于SPI接口比I2C总线多两根信号线，因此硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。SPI接口的内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。如图所示，在SCLK的下降沿，数据发生改变，同时一位数据被存入移位寄存器。SPI接口的内部硬件接口如图所示。SPI接口也有其缺点：没有指定的流控制；没有应答机制来确认是否接收到数据。Exynos4412包含3个串行外设接口SPn(n=0~2)接口，每个SPI接口都有两个分别用于发送和接收的8位移位寄存器，在主设备的一个移位脉冲的驱动下，1bit数据被同步发送(串行移出)和接收(串行移入)。8位串行数据的速率由相关控制寄存器的内容决定。如果只想发送，接收到的是一些虚拟的数据；另外，如果只想接收，发送的数据也可以是一些虚拟的1。Exynos4412SPI0接口的结构框图如图所示14.1.2SPI串行外设接口的特性SPI接口具有如下特性：1.与SPI接口协议v2.11兼容；2.8位/16位/32位用于发送的移位寄存器；3.8位/16位/32位用于接收的移位寄存器；4.查询、中断和DMA传送模式。§14.2SPI接口寄存器14.2.1SPI状态寄存器14.2.2SPI时钟分频寄存器CLK_DIV_PERILn14.2.3SPI传输配置寄存器CH_CFGn14.2.4SPI发送数据寄存器(SPTDATn)14.2.5SPI接收数据寄存器(SPI_RX_DATAn(n=0~2))14.2.6SPI接口操作14.2.7SPI接口的传输格式14.2.8SPI通信模式14.2.1SPI状态寄存器SPI状态寄存器SPI_STATUSn（n=0~2）如表所示。名称位描述复位值TX_DONG

[25]主模式下发送状态0=其他情况；1=发送准备0RX_FIFO_LVL[23:15]接收FIFO数据个数0TX_FIFO_LVL[14:6]发送FIFO数据个数

RX_OVERRUN[5]接送FIFO溢出错误0RX_UNDERRUN[4]接收数据缺失错误0TX_OVERRUN[3]发送溢出错误0TX_UNDERRUN[2]发送FIFO数据缺失0RX_FIFO_RDY[1]0=接收FIFO大于触发水平；1=接收FIFO小于触发水平0TX_FIFO_rdy[0]0=发送FIFO大于触发水平；1=发送FIFO小于触发水平

14.2.2SPI时钟分频寄存器CLK_DIV_PERILnSPI时钟分频寄存器如表所示。CLK_DIV_PERILn(n=0~2)输入时钟的分频值，以配合合适的传输速度。CLK_DIV_PERIL0位描述复位值SPI0_PRE_RATIO[15:8]SPI0时钟分频因子，SCLK-SPI0=DOUTSPI0/(SPI0_PRE_RATIO+1)0SPI0_RATIO[3:0]SPI0时钟分频因子，DOUTSPI0=MOUTSPI0/(SPI0_RATIO+1)0CLK_DIV_PERIL1位描述复位值SPI1_PRE_RATIO[31:24]SPI1时钟分频因子，SCLK-SPI1DOUTSPI1(SPI1_PRE_RATIO+1)0SPI11RATIO[16:19]SPI1时钟分频因子，DOUTSPI1=MOUTSPI1/(SPI1ATIO+1)0CLK_DIV_PERIL2位描述复位值SPI2_PRE_RATIO[15:8]SPI2时钟分频因子，SCLK_SPI2=DOUTSPI0/(SPI2_PRE_RATIO+1)0SPI2_RATIO[3:0]SPI0时钟分频因子，DOUTSPI2=MOUTSPI2(SPI2_RATIO+1)014.2.3SPI传输配置寄存器CH_CFGnSPI传输配置寄存器CH_CFGn(n=0~2)是对SPI进行使能和传输配置，如接收使能、发送使能、主从关系确定，相位、极性、软件复位等，如表CH_CFGn(n=0~2)位描述复位值HIGH_SPEED_EN[6]从机模式下TX时间控制位，0=禁止；1=使能0SW_RST[5]软件复位0SLAVE[4]主从模式选择位0=主机模式；1=从机模式0CPOL[3]极性选择0=高；1=低0CPHA[2]相位选择0=方式A；1=方式B0PX_CH_ON[1]接收（RX）通道使能0=禁止；1=使能0TX_CH_ON[0]发送通道使能0=禁止；1=使能014.2.4SPI发送数据寄存器(SPTDATn)SPI发送数据寄存器SPI_TX_DATAn(n=0~2)如下表所示。发送数据寄存器中存放的是SPI接口待发送的数据。SPI_TX_DATAn(n=0~2)位描

述初

值SPI发送数据寄存器[31:0]发送数据寄存器中存放的是SPI接口待发送的数据0x0014.2.5SPI接收数据寄存器(SPI_RX_DATAn(n=0~2))SPI接收数据寄存器如下表所示。接收数据寄存器中存放的是SPI接口接收到的数据。SPI_RX_DATAn(n=0~2)位描

述初

值SPI接收数据寄存器[31:0]接收数据寄存器中存放的是SPI接口接收的数据0x0014.2.6SPI接口操作通过SPI接口，Exynos4412可以与外设同时发送/接收8位数据。串行时钟线与两条数据线同步，用于移位和数据采样。如果SPI是主设备，那么数据传输速率由主设备寄存器的相关位控制。可以通过修改频率来调整波特率寄存器的值。如果SPI是从设备，则其他主设备提供时钟，向SPIDATAn寄存器中写入字节数据，SPI发送/接收操作就同时启动。某些情况下，在向SPIDATAn寄存器中写入字节数据之前要激活nSS引脚。14.2.7SPI接口的传输格式Exynos4412支持4种不同的数据传输格式。14.2.8SPI通信模式SPI通信模式有如下3种。1.DMA模式：该模式不能用于从设备FormatB形式。2.查询模式：如果接收用的设备采用FormatB形式，DATA_READ信号应该比SPICLK延迟一个相位。3.中断模式：如果接收用的设备采用FormatB形式，DATA_READ信号应该比SPICLK延迟一个相位§14.3MCP2515芯片介绍本实验是通过编写SPI程序来控制MCP2515，MCP2515是一款独立的局域网CAN总线控制器。它本身代有9条指令，还有一个内置的状态寄存器，可以通过状态寄存器获取该芯片当前状态，MCP2515框图如下页图所示。我们主要关注MCP2515与SPI的接口及SPI驱动编程。MCP2515芯片指令集见表14-8。我们实验主要目的：1.设置SPI时钟源2.设置SPI数据传输格式和使能通道3.设置SPI工作模式4.设置GPC1相关引脚SPI工作模式指令名称格式说明复位11000000将内部基础器置为省缺状态读00000011从指定地址寄存器读数据读RX缓冲器10010mn0读取接收缓冲器时，在“n，m”指示的4个地址中一个放地址指针可以减轻读命令开销。写00000010将数据写入指定地址装载TX缓冲区01000abc装载TX缓冲区时，在a,b,c,所提示的6个地址中一个地址指针，可以减轻写命令开销。RTS10000abc指示控制器开始发送缓冲区报文，发送序列10000abc。a-TXB2请求发送，b-TXB1请求发送，c-TXB0请求发送读状态10100000读取发送/接收功能状态R状态10110000快速查询命令位修改00000101允许用户修改寄存器某位§14.4硬件实验电路Exynos4412配备3个SPI控制器，每个SPI总线控制