ATMEGA的SPI总线 - 第1部分

转自：

1. https://www.yiboard.com/thread-782-1-1.html

2.https://mansfield-devine.com/speculatrix/2018/01/avr-basics-spi-on-the-atmega-part-1/

当AVR与其他器件进行数据交互时，我们需要选择采用哪种方式。这里可以使用UART、I2C等经典的串口方式，也可以选择串行外设接口（SPI）。我比较喜欢SPI总线方式。那么让我们来聊一聊这种总线形式。

关系

在SPI中的一个重要的概念就是主从关系。一个设备作为主机，负责产生时钟信号并启动每次通信。除了时钟之外，其他设备在很多方面都像主机一样操作，而且只有在被呼叫时才会回应。

一般情况下，SPI总线至少由四条线组成 - 也就是说，它需要每个器件的四个引脚。 他们是：

●    MOSI：主机输出，从机输入 - 数据从主机传输到从机。

●    MISO：主机输入，从机输出 - 用于从从机到主机的数据传输。

●    SCK：时钟线，有时也被标记为CLK。

●    SS：从机选择 - 有时也被标记为片选（CS）；这根线激活从机并启动通信。

和其他总线不一样的是，SPI总线总是只有一根MOSI、一根MISO和一根SCK。但是该总线是设计用于连接多个设备。每个总线上只有一个主机设备（不同于提供多主设备模式的I2C）。但是你可以有多个从设备，每个都需要自己的SS线。

这被认为是SPI的弱势之一，尤其是当您尝试使用GPIO数目较少的微控制器时。它至少需要将四个引脚连接在一个从机设备上，每个附加的从设备需要另一个引脚。但是，这种总线方式非常简单，通讯速度可以很快。

专用硬件

谈到GPIO引脚，可以使用任何GPIO引脚来实现一种“软件模拟串行”方式的SPI。事实上，在使用移位寄存器等设备时，我已经做到了这一点。但是，您需要负责切换时钟引脚，以产生必要的脉冲，并将数据移入或移出数据引脚。这并不难，但像AVR微控制器这样的设备已经内置了硬件来为您做所有这些。

我使用ATMEGA328P进行实验，所以我将指出这一点，但所有这些都应该轻松转移到其他微控制器。我们来看看ATMEG328P的引脚分布。

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2018-1-25 10:52 上传

 

在右下角你会看到四个粉红色的标签，表明引脚16-19是我们的SPI引脚。当然，它们也是普通的GPIO，但是当启用SPI功能时，它们承担SPI的角色，我们稍后会看到。通过使用这些引脚分配的目的，你需要在代码中做更少的工作。

不同之处在于SS引脚。说实话，你用这个GPIO是非常随意的。即使启用SPI，您仍然必须将SS引脚设置为输出，并在适当的时刻将其切换为高电平或低电平。如果你想用另一个引脚，可以自己选择。如果你想要连接不止一个从设备，你必须使用其他的GPIO。

转移数据

在讨论如何使用SPI之前，让我们花点时间考虑它是如何工作的。

您可以将每个器件（主器件和从器件）的SPI部分视为一个移位寄存器，在每个时钟脉冲中，一次输入一位和输出一位。

当时钟滴答时，从主机的移位寄存器发送一位到从机上，其余位移位。从机的移位寄存器有足够的空间来接受这个位，因为在同一个时钟脉冲上，从机已经向主机发送了一位数据，并且也一起移动了。在八个时钟脉冲之后，两个器件已经交换了这些移位寄存器中的全部字节。

这就是SPI的秘密：每当主机发送数据时，无论数据是否有意义（通常不是），它都会返回。事实上，有很多时候，主机只是想刺激从机放弃一些数据，而这是通过发送任何东西来实现的。它可以是全0或全1，这并不重要 - 这只是让从机发送任何已经准备好的移位寄存器的一种方式。

启用S​​PI

像微控制器上的许多事情一样，SPI通过巧妙地使用寄存器来控制。和往常一样，在AVR中，宏（通过avr / io.h）定义了寄存器和其中的位，所以我们可以简单地使用这些名称来处理接口。

我们不会在这里详细介绍SPI，但是我们将看看能让您获得简单的SPI解决方案的关键要素。我们的重点在于使用AVR作为主设备。

SPCR - SPI控制寄存器

SPCR是建立SPI的关键寄存器。所有八位用于配置接口，它们是：

7	6	5	4	3	2	1	0
SPIE	SPE	DORD	MSTR	CPOL	CPHA	SPR1	SPR0

根据数据表，当ATMEGA328P上电时，SPCR设置为0。个人而言，我并不介意花费一个或两个时钟周期，在我的SPI设置例程开始时，写到：

1. 1SPCR = 0;

复制代码

那我们来看看这些位的含义：

●    SPIE - SPI中断使能。将其设置为1时，只要另一个寄存器中的另一个位（SPSR中的SPIF精确）被置位，就会触发SPI中断。

●    SPE - SPI启用。这是至关重要的，因为它有效地打开SPI并使这些引脚承担SPI的角色。

●    DORD - 数据顺序。这控制数据是首先发送最高有效位（MSB - 即第7位）还是最低有效位（LSB，第0位）。在默认状态（0）是MSB，这就是我喜欢它。如果您以此方式滚动或者从属设备期望它，则将此设置为1为Little-Endian。

●    CPOL、CPHA - 时钟极性和时钟相位。这些需要更多的解释，我们马上就会谈到。

●    SPR1、SPR0 - SPI时钟频率。它们与SPSR寄存器中的SPI2X位一起使用来设置时钟速度，从而设置数据移动的速率。这是一个与处理器的振荡器时钟频率（Fosc）相关的预分频器。

相位和极性

时钟极性和相位的设置取决于从机的工作方式和期望值。有四种模式：

SPI模式	条件	前边沿	后边沿
0（0,0）	CPOL = 0，CPHA = 0	采样（上升沿）	设置（下降沿）
1（0,1）	CPOL = 0，CPHA = 1	设置（上升沿）	采样（下降沿）
2（1,0）	CPOL = 1，CPHA = 0	采样（下降沿）	设置（上升沿）
3（1,1）	CPOL = 1，CPHA = 1	设置（下降沿）	采样（上升沿）

您需要阅读从设备的数据表以了解其要求。例如，我最近搞砸了一个23LCV512的串行RAM芯片。其数据表说明如下：

The device is accessed via the SI pin, with data being clocked in on the rising edge of SCK.

数据在上升沿“锁存”（又称锁存或采样）意味着它必须是上表中的模式0或模式3。这取决于上升沿是被认为是“领先”还是“落后”。你怎么知道的？回到数据表。它应该显示时序图。这里是我们的RAM芯片的例子：

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在输入版本中的所有内容开始之前，看看SCK线路是如何变低的？当SCK变高时，'MSB'发生。所以这里的上升沿也是领先的，这意味着我们想要模式0，在很多圈子里也被称为0,0。

设置速度

设置SPCR中的SPR0和SPR1位以及SPSR中的SPI2X位可将时钟频率设置为用于运行微控制器（Fosc）的振荡器的特定频率的一小部分。所以，如果你像我一样在16MHz下运行你的处理器，并且设置一个预分频值（比如16），那么SPI总线将以1MHz运行。预分频值越大，SPI总线越慢。

你可能会认为你想尽可能快地走，但是你可能会遇到问题，特别是如果你的从机的电线很长。正如我在面包板上做了很多这样的事情，我倾向于使用第二个最慢的64位设置，推测我可以随时尝试提高速度。

SPI2X	SPR1	SPR0	SCK频率
0	0	0	Fosc / 4
0	0	1	Fosc / 16
0	1	0	Fosc / 64
0	1	1	Fosc / 128
1	0	0	Fosc / 2
1	0	1	Fosc / 8
1	1	0	Fosc / 32
1	1	1	Fosc / 64

SPSR - SPI状态寄存器

在这里我们只关心三个位，如果说实话，我主要关心的只有一个位。

7	6	5	4	3	2	1	0
SPIF	WCOL	-	-	-	-	-	SPI2X

●    SPIF - SPI中断标志。当数据传输和输入完成时自动设置。如果您已经使能了全局中断和SPCR中的SPIE位，则当该标志置位时将触发中断。处理该中断将自动清除该标志，就像读取SPI数据寄存器（SPDR）一样。所以大多数情况下，你只需要读取这个标志就可以了。

●    WCOL - 写入碰撞标志。

●    SPI2X - 时钟速度设置的一部分。

准备设置

在我们检查第三个寄存器之前，让我们来设置SPI。我将假定AVR将作为一个主机，我们不会搞乱中断，数据顺序将是MSB第一。我将要进行通讯的是串行RAM芯片，它的时钟极性（CPOL）为0，时钟相位（CPHA）为0。我将使用处理器速度的1/64作为总线的速度。

让我们配置SPCR的八位。我将逐一浏览所有八位数据 - 即使是我没有使用的数据 - 你可以看到：

1. SPCR = 0;                 // just to be sure
2. // SPCR |= (1 << SPIE);   // not using interrupts, so leaving this at 0
3. SPCR |= (1 << SPE);       // enable SPI
4. // SPCR |= (1 << DORD);   // we want to keep the default MSB first, so not using this
5. SPCR |= (1 << MSTR);      // set master mode
6. // SPCR |= (1 << CPOL);   // leaving this set to 0
7. // SPCR |= (1 << CPHA);   // leaving this set to 0
8. SPCR |= (1 << SPR1);      // using a prescaler setting of 64 (1,0) in this register
9. // SPCR |= (1 << SPR0);

复制代码

这样我们就准备好了。 在第2部分中，我们将开始使用SPI总线。