13. SPI通信 |
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13. SPI通信¶
本章通过讲解在应用层中使用SPI总线与外部设备的通讯，讲解Linux系统总线类型设备驱动架构的应用,它与上一章的I2C 总线操作方法非常相似，可以对比学习。 在Linux内核文档的Documentation/SPI目录下有关于SPI驱动非常详细的说明。 本章的示例代码目录为：base_linux/spi 13.1. SPI通讯协议简介¶SPI 协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议(Serial Peripheral Interface)，即串行外围设 备接口，是一种高速全双工的通信总线。它被广泛地使用在 ADC、 LCD 等设备与 MCU 间，要求通讯速率较高的场合 学习本章时，可与 I2C 章节对比阅读，体会两种通讯总线的差异。下面我们分别对 SPI 协议的物理层及协议层进行讲解。 13.1.1. SPI物理层¶SPI通讯设备之间的常用连接方式见下图。 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 ，它们的作用介绍如下： (1) ( Slave Select)：从设备选择信号线，常称为片选信号 线，也称为NSS、CS，以下用NSS表示。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时，设备的其它信 号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同只使用这3条总线；而每个从设备都有独立的这一条 NSS信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。I2C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而SPI协议中没有设备地址，它使用NSS信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的NSS信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主 机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。所以SPI通讯以NSS线置低电平为开始信号，以NSS线被拉高作为结束信号。 (2) SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的 设备支持的最高时钟频率不一样，如RT1052的SPI时钟频率最大为fpclk/2，两个设备之 间通讯时，通讯速率受限于低速设备。 (3) MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的 数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。 (4) MISO(Master Input,，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读 入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。 13.1.2. 协议层¶与I2C的类似，SPI协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、时钟同步等环节。 13.1.2.1. SPI基本通讯过程¶先看看SPI通讯的通讯时序，如下图所示。 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，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI与MISO的信号只在NSS为低电平的时候才有效，在SCK的每个时钟周期MOSI和MISO传输一位数据。 以上通讯流程中包含的各个信号分解如下： 13.1.2.2. 通讯的起始和停止信号¶在上图中的标号处，NSS信号线由高变低，是SPI通讯的起始信号。NSS是每个从机各自独 占的信号线，当从机检在自己的NSS线检测到起始信号后，就知道自己被主机选中了，开始准备与主机 通讯。在图中的标号处，NSS信号由低变高，是SPI通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。 13.1.2.3. 数据有效性¶SPI使用MOSI及MISO信号线来传输数据，使用SCK信号线进行数据同步。MOSI及MISO数据线在SCK的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，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，一般都会采用上图中的MSB先行模式。 观察图中的标号处，MOSI及MISO的数据在SCK的上升沿期间变化输出，在SCK的下降沿时被采样。即在SCK的下降沿时刻，MOSI及MISO的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电 平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI及MISO为下一次表示数据做准备。 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。 13.1.2.4. CPOL/CPHA及通讯模式¶上面讲述的图中的时序只是SPI中的其中一种通讯模式，SPI一共有四种通讯 模式，它们的主要区别是总线空闲时SCK的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此 引入“时钟极性CPOL”和“时钟相位CPHA”的概念。 时钟极性CPOL是指SPI通讯设备处于空闲状态时，SCK信号线的电平 信号(即SPI通讯开始前、 NSS线为高电平时SCK的状态)。CPOL=0时， SCK在空闲状态时 为低电平，CPOL=1时，则相反。 时钟相位CPHA是指数据的采样的时刻，当CPHA=0时，MOSI或MISO数据线上的信号 将会在SCK时钟线的“奇数边沿”被采样。当CPHA=1时，数据线在SCK的“偶数边沿”采样。 如下图: 我们来分析这个CPHA=0的时序图。首先，根据SCK在空闲状态时的电平，分为两种情况。SCK信号线在空闲状态为低电平时，CPOL=0；空闲状态为高电平时，CPOL=1。 无论CPOL=0还是=1，因为我们配置的时钟相位CPHA=0，在图中可以看到，采样时刻都是在SCK的奇数边沿。注意当CPOL=0的时候，时钟的奇数边沿是上升沿，而CPOL=1的时候，时钟的奇数边沿是下降沿。所以SPI的采样时刻不是由上升/下降沿决定的。MOSI和MISO数据线的有效信号在SCK的奇数 边沿保持不变，数据信号将在SCK奇数边沿时被采样，在非采样时刻，MOSI和MISO的有效信号才发生切换。 类似地，当CPHA=1时，不受CPOL的影响，数据信号在SCK的偶数边沿被采样。 如下图: 由CPOL及CPHA的不同状态，SPI分成了四种模式，见下表，主机与 从机需要工作在相同的模式下才可以正常通讯，实际中采用较多的是“模式0”与“模式3”。 表 SPI的四种模式 SPI模式 CPOL CPHA 空闲时SCK时钟 采样时刻 0 0 0 低电平 奇数边沿 1 0 1 低电平 偶数边沿 2 1 0 高电平 奇数边沿 3 1 1 高电平 偶数边沿 13.1.3. 扩展SPI协议（Single/Dual/Quad/Octal SPI）¶以上介绍的是经典SPI协议的内容，这种也被称为标准SPI协议（Standard SPI）或单 线SPI协议（Single SPI），其中的单线是指该SPI协议中使用单根数据线MOSI进行发送数据，单根数据线MISO进行接收数据。 为了适应更高速率的通讯需求，半导体厂商扩展SPI协议，主要发展出了Dual/Quad/Octal SPI协议，加上 标准SPI协议（Single SPI），这四种协议的主要区别是数据线的数量及通讯方式，具体见下表。 表 四种SPI协议的区别 协议 数据线数量及功能 通讯方式 Single SPI（标准SPI） 1根发送，1根接收 全双工 Dual SPI（双线SPI） 收发共用2根数据线 半双工 Quad SPI（四线SPI） 收发共用4根数据线 半双工 Octal SPI（八线SPI） 收发共用8根数据线 半双工 扩展的三种SPI协议都是半双工的通讯方式，也就是说它们的数据线是分时进行收发 数据的。例如，标准SPI（Single SPI）与双线SPI（Dual SPI）都是两根数据线，但 标准SPI（Single SPI）的其中一根数据线只用来发送，另一根数据线只用来接收，即全双工；而双线SPI（Dual SPI）的两根线都具有收发功能，但在同一时刻只能是发送或者是接收，即半 双工，四线SPI（Quad SPI）和 八线SPI（Octal SPI）与双线SPI（Dual SPI）类似，只是数据线量的区别。 13.1.3.1. SDR和DDR模式¶扩展的SPI协议还增加了SDR模式（单倍速率Single Data Rate）和DDR模式（双倍速率Double Data Rate）。例如在标准SPI协议的SDR模式下，只在SCK的单边沿进行数据传输，即一个SCK时钟只传输一位数据；而在它的DDR模式下，会在SCK的上升沿和下降沿都进行数据传输，即一个SCK时钟能传输两位数据，传输速率提高一倍。 13.2. SPI相关数据结构与ioctl函数¶编写应用程序需要使用到spi_ioc_transfer结构体，如下所示 linux/spi/spidev.h¶ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15struct spi_ioc_transfer { __u64 tx_buf; //发送数据缓存 __u64 rx_buf; //接收数据缓存 __u32 len; //数据长度 __u32 speed_hz; //通讯速率 __u16 delay_usecs; //两个spi_ioc_transfer之间的延时，微秒 __u8 bits_per_word; //数据长度 __u8 cs_change; //取消选中片选 __u8 tx_nbits; //单次数据宽度(多数据线模式) __u8 rx_nbits; //单次数据宽度(多数据线模式) __u16 pad; };在编写应用程序时还需要使用ioctl函数设置spi相关配置，其函数原型如下 1 2 3 #include int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);其中对于终端request的值常用的有以下几种 SPI_IOC_RD_MODE32 设置读取SPI模式(对应上文的SPI的四种模式的表格,SPI_MODE_x) SPI_IOC_WR_MODE32 设置写入SPI模式(对应上文的SPI的四种模式的表格,SPI_MODE_x) SPI_IOC_RD_LSB_FIRST 设置SPI读取数据模式(LSB先行返回1) SPI_IOC_WR_LSB_FIRST 设置SPI写入数据模式。(0:MSB，非0：LSB) SPI_IOC_RD_BITS_PER_WORD 设置SPI读取设备的字长 SPI_IOC_WR_BITS_PER_WORD 设置SPI写入设备的字长 SPI_IOC_RD_MAX_SPEED_HZ 设置读取SPI设备的最大通信频率。 SPI_IOC_WR_MAX_SPEED_HZ 设置写入SPI设备的最大通信速率 SPI_IOC_MESSAGE(N) 一次进行双向/多次读写操作 提示 SPI的读取和写入可以设置为不同的参数。 13.3. LubanCat板卡spi接口¶本章主要围绕带有40Pin引脚的LubanCat-RK系列的板子,如下 LubanCat-Zero W LubanCat-Zero N LubanCat-1 LubanCat-1N LubanCat-2 LubanCat-2N LubanCat-4 40pin引脚中只有一组spi接口SCK,MOSI,MISO,有两个默认片选信号CS0,CS1 其中SPI3的引脚关系如下表所示 SPI 物理引脚 功能 MOSI 19 主设备输出/从设备输入 MISO 21 主设备输入/从设备输出 CLOCK 23 时钟信号线 CS0 24 片选信号线0 CS1 26 片选信号线1 LubanCat0-2系列使用spi3。spidev3.0控制CS0,spidev3.1控制CS1 LubanCat4使用spi0。spidev0.0控制CS0,spidev0.1控制CS1 如下图： 对应实物的40pin接口 13.3.1. 使能SPI通信接口¶SPI接口在默认情况是关闭状态的，需要使能才能使用, 如果要开启spi需要配置两项，一个是spi通信引脚，一个是spi-cs引脚 13.3.1.1. 方法一¶ 1 2 3 4 5#进入工具配置 sudo fire-config #移动光标到下图的位置 #按确认键进入配置打开SPI通信接口和SPI片选接口 使用方向键移动光标到 SPI 按 “空格键” 选中SPI(出现 “*” )，如下图 使用方向键移动光标到 SPI-CS 按 “空格键” 选中SPI-CS(出现 “*” )，如下图 按 “确认键” 进行设置 按 “Esc键” 退出到终端，运行 sudo reboot 进行重启应用 13.3.1.2. 方法二¶ LubanCat各设备的配置文件¶板子名称 配置文件名称 说明 当前使用的板卡 uEnv.txt 系统会自动把板卡的配置文件链接到该文件 LubanCat-RK uEnvLubanCat-series.txt 通用板卡的配置文件，用于第一次启动配置系统 Lubancat-Zero-N uEnvLubanCatZN.txt 适用于EBF410068 EBF410068V1 Lubancat-Zero-W uEnvLubanCatZW.txt 适用于EBF410067 EBF410067V1 Lubancat-1 uEnvLubanCat1.txt 适用于EBF410077 EBF410077V1 EBF410077V2 Lubancat-1N uEnvLubanCat1N.txt 适用于EBF410052 EBF410052V1 Lubancat-1金手指/BTB uEnvLubanCat1IO.txt 适用于EBF410090 EBF410132 Lubancat-2 uEnvLubanCat2.txt 适用于EBF410044 Lubancat-2V1 uEnvLubanCat2-V1.txt 适用于EBF410044V1 Lubancat-2V2 uEnvLubanCat2-V2.txt 适用于EBF410044V2 Lubancat-2-n uEnvLubanCat2N.txt 适用于EBF410076 EBF410076V1 Lubancat-2金手指/BTB uEnvLubanCat2IO.txt 适用于EBF410298 EBF410297 Lubancat-4 uEnvLubanCat4.txt 适用于EBF410116 可以通过打开 /boot/uEnv/board.txt （board是你所用的板子的名称），一般第一次启动已经初始化将板级uEnv.txt软连接到了/boot/uEnv/uEnv.txt，可以直接修改该文件。 查看是否启用了spi相关设备设备树插件。 编辑文件，将带有 spi 和 spi-cs 的两行的注释符号去掉 如下图: 然后重启激活设备 注解 如果是直接拔电源的方式重启，会有可能出现文件没能做出修改 （原因：文件未能及时从内存同步到存储设备中，解决方法，在终端上输入 “sync” 再拔电关机） 13.3.2. 检查SPI设备¶使能spi设备树插件之后重新启动板卡，通过SPI设备文件来判断spi驱动是否加载成功。 SPI_3对应的设备文件是spidev3.0和spidev3.1 如下所示 1 2 3root@lubancat:~# ls /dev/spi* /dev/spidev3.0 /dev/spidev3.1 root@lubancat:~#spidev3.0和spidev3.1的区别在于片选信号的不同，spidev3.0使用CS0 , spidev3.1使用CS1 13.4. SPI回环通讯测试实验¶ 13.4.1. 硬件连接：¶只需要将SPI3的 MIOS与MOSI引脚(板卡上的19和21)使用跳线帽短接即可。 如下图所示 13.4.2. 编写程序¶ base_linux/spi/spi_selftest/spi_selftest.c¶ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88#include #include #include #include #include #include #include #include #include #define SPI_DEV_PATH "/dev/spidev3.0" /*SPI 接收 、发送 缓冲区*/ unsigned char tx_buffer[100] = "hello the world !"; unsigned char rx_buffer[100]; int fd; // SPI 控制引脚的设备文件描述符 static unsigned 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 = 10000000; // 发送速度 static uint16_t delay; //保存延时时间 void transfer(int fd, uint8_t const *tx, uint8_t const *rx, size_t len) { int ret; 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 }; ret = ioctl(fd, SPI_IOC_MESSAGE(1), &tr); if (ret |
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