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教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇

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    发表于 2021-5-14 16:13:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    本帖最后由 sky 于 2021-5-14 16:13 编辑

    SPI 是一种同步、高速、全双工的通信总线,全称为Serial Peripheral Interface(串行外设接口),由Motorola公司提出。在嵌入式系统设计时,常使用SPI接口连接一些传感器、外接存储器或通信模组,本期内容将通过RV-STARArduino UNO间的SPI通信例程,带领大家了解SPI的应用方法。
    GD32VF 单片机芯片及应用-教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇risc-v单片机中文社区(1)

    • 系统环境  Windows 10-64bit
    • 软件平台  NucleiStudio IDE 202102版 CoolTerm
    • 硬件需求  RV-STAR开发板 Arduino UNO开发板


    一、SPI原理简介

    ​SPI是一种主从式的总线通信,通常是“一主一从”或“一主多从”,但如果能保证系统中任意时刻只有一个处于激活状态的主设备,也可以通过时分实现一条总线上有多个主设备。

    标准的SPI需要四根信号线
    SS(Slave Select):从设备选择,也称片选,主机通过拉低从机的片选信号选择从机
    SCK(Serial Clock):传输时钟的信号线,时钟信号由主机产生,类似于I2C的SCL
    MOSI(Master Out Slave In):主设备输出,从设备输入,由主机向从机发送数据的通道
    MISO(Master In Slave Out):主设备输入,从设备输出,由从机向主机发送数据的通道
    GD32VF 单片机芯片及应用-教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇risc-v单片机中文社区(2)

    SPI的工作基于移位寄存器:为实现数据传输或数据接收,主设备和从设备包含了专用的移位寄存器,通常是8位或16位。工作过程就像一个环形传送带:由主机逐位将数据放在传送带上,并驱动传送带将数据传送到从机,同时从机也会同步地逐位将数据传送给主机。
    GD32VF 单片机芯片及应用-教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇risc-v单片机中文社区(3)


    二、GD32VF103的SPI模块

    GD32VF103的SPI接口模块提供了基于SPI协议的数据发送和接收功能,可以工作于主机或从机模式,同时具有硬件CRC计算和校验的全双工及半双工模式。
    GD32VF 单片机芯片及应用-教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇risc-v单片机中文社区(4)


    SPI模块的主要特征
    • 支持全双工和半双工的主从操作
    • 16位宽度,独立的发送和接收缓冲区
    • 8位或16位数据帧格式
    • 低位在前或高位在前的数据位顺序
    • 软件和硬件NSS管理
    • 硬件CRC计算、发送和校验
    • 发送和接收支持DMA模式
    • 支持SPI TI模式
    • 支持SPI NSS脉冲模式

    更多有关信息可以查阅《GD32VF103中文用户手册》


    三、实验部分

    实验部分我们将实现一个简单的SPI通信过程:字符串数据由主机(RV-STAR)生成,并通过SPI接口发送到从机(Arduino UNO),然后从机再将字符串数据通过串口打印输出到PC主机上。

    由于我们采用的是“一主一从”的通信模式,不需要进行片选,因此可以省去SS线的连接(但一定要共地线),这样也可以同时简化部分代码,可以参考如下方式将两个开发板进行连线:
    GD32VF 单片机芯片及应用-教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇risc-v单片机中文社区(5)

    然后需要分别创建工程并编写代码,RV-STAR的工程创建相信读者们已经很熟悉了,Arduino的话,可用Arduino IDE进行开发。

    RV-STAR 作为 SPI 主机,在传输数据前需要对 SPI 外设进行配置:首先使能外设时钟,然后初始化输出端口,SCK 和 MOSI 引脚初始化为推挽输出模式,MOSI需要初始化为浮空输入模式;然后创建一个 SPI 初始化结构体并进行配置,其中,需要设置时钟极性为低、在第一个跳变沿处理数据(即 SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE),这是为了和Arduino的SPI默认配置保持一致,另外由于Arduino本身的时钟速率较低,SPI速率不宜过高,因此这里分频系数设置为128,配置部分的完整代码如下:
    1. void spi_config()
    2. {
    3.     rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    4.     rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
    5.     rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI0);

    6.     /* configure SPI0 GPIO : SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
    7.     gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7);
    8.     gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);

    9.     spi_parameter_struct spi_init_struct;
    10.     /* deinitialize SPI and the parameters */
    11.     spi_i2s_deinit(SPI0);
    12.    
    13.     spi_struct_para_init(&spi_init_struct);
    14.     /* configure SPI0 parameters */
    15.     spi_init_struct.trans_mode = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;
    16.     spi_init_struct.device_mode = SPI_MASTER;
    17.     spi_init_struct.frame_size = SPI_FRAMESIZE_8BIT;
    18.     spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;
    19.     spi_init_struct.nss = SPI_NSS_SOFT;
    20.     spi_init_struct.prescale = SPI_PSC_128;
    21.     spi_init_struct.endian = SPI_ENDIAN_MSB;
    22.     spi_init(SPI0, &spi_init_struct);
    23. }
    复制代码

    配置完成后,主函数部分就比较简单了,主要是调用刚刚编写好的SPI配置函数和使能函数,然后在循环体中使用 spi_i2s_data_transmit() 发送字节流,需要注意的是需要通过 TBERBNE 两个寄存器来判断每个字节发送完成后,再发送下一个字节。

    注意:当连接多个从机时,每次发送或接收数据前后,需要通过软件控制NSS拉低和拉高以选择从机,并且可以使用普通的GPIO端口作为片选引脚。
    1. int main()
    2. {
    3.     /* configure SPI */
    4.     spi_config();
    5.     /* SPI enable */
    6.     spi_enable(SPI0);

    7.     while (1)
    8.     {
    9.         char c;
    10.         for (const char *p = "Hello World\n\r"; c = *p; p++)
    11.         {
    12.             while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TBE));
    13.             spi_i2s_data_transmit(SPI0, c);
    14.             while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_RBNE));
    15.         }
    16.         delay_1ms(2000);
    17.     }
    18. }
    复制代码

    Arduino作为从机,首先需要初始化SPI外设并使能中断(由于Arduino的SS引脚默认拉低,即从机传输状态,因此不需要进行额外的配置),在SPI的中断服务程序中接收主机发送的数据,在每次接收完成后(通过'\r'来判断),在主循环中通过串口打印出来,其代码如下:
    1. /* UNO_SPI_SLAVE.cpp */
    2. #include "Arduino.h"
    3. #include "SPI.h"

    4. char buff[64];
    5. volatile byte index = 0;
    6. volatile boolean process = false;

    7. void setup() {
    8.   Serial.begin(115200);
    9.   pinMode(MISO, OUTPUT);
    10.   SPCR |= _BV(SPE); // turn on SPI in Slave mode
    11.   SPI.attachInterrupt();
    12. }

    13. void loop() {
    14.   if(process) {
    15.     process = false;
    16.     Serial.println(buff);
    17.   }
    18. }

    19. ISR(SPI_STC_vect) {
    20.   byte c = SPDR; // read byte form SPI Data Register
    21.   if(index < sizeof(buff)) {
    22.     buff[index++] = c;
    23.     if(c == '\r') {
    24.       index = 0;
    25.       process = true;
    26.     }
    27.   }
    28. }
    复制代码

    将RV-STAR和Arduino的工程代码各自编译并上传后,保持ArduinoPC的连接。
    GD32VF 单片机芯片及应用-教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇risc-v单片机中文社区(6)

    然后使用CoolTerm打开Arduino对应的串行端口(CoolTerm的用法可以参考往期文章),可以在终端中观察到不断打印出的Hello World消息,参见下图:
    GD32VF 单片机芯片及应用-教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇risc-v单片机中文社区(7)

    说明Arduino成功通过SPI接受到了发自RV-STAR的数据,并且通过串口打印了出来。

    源码获取请参考:https://github.com/Nuclei-Software/nuclei-board-labs/tree/master/rvstar/spi/spi_master_polling






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    RISCV作者优文
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