用GPIO模拟SPI协议的实现

 

总线技术 2010-01-15 17:14:34 阅读282 评论0   字号：大中小 订阅

 

分类：嵌入式多媒體

一 SPI协议概括

SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。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，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200.

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

（1）SDO     – 主设备数据输出，从设备数据输入

（2）SDI      – 主设备数据输入，从设备数据输出

（3）SCLK     – 时钟信号，由主设备产生

（4）CS        – 从设备使能信号，由主设备控制

其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO 线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

AT91RM9200的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO 是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。

SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。

详细的SPI规范可参考SPI协议。

 

二 GPIO模拟SPI的实现

   下面将结合本人项目中的经验来详细描述如何用GPIO来模拟SPI协议

项目中要求实现一块LCD为ssd1815br1的驱动，它与BB的通信使用SPI协议，由于BB上SPI总线已使用完， 因此考虑使用GPIO来模拟实现。

GPIO对应SPI引脚的关系如下：

（1）SDO     – GPIO0   （BB到LCD的数据线）

（2）SDI      – 无，因为暂时不需要BB接收来自LCD的数据

（3）SCLK     – GPIO1

（4）CS        – 接地， 使LCD一直处于使能状态。

 

接下来就是要实现SPI的协议了， SPI有4种传输模式：

开发者可根据具体设备使用的是哪种模式来实现之，我们项目种的这块LCD的模式为CPOL=1, CPHA=1.

具体实现如下：

#define SPI_DATA    GPIO0

#define SPI_CLK     GPIO1

void spi_write(char data)

{

   int8 i = 7;

   uint8 mask[] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80};

  

   for(; i >= 0; i--) {

   gpio_out(SPI_CLK, GPIO_LOW_VALUE);

   gpio_out(SPI_DATA, ((data & mask[i]) >> i));

  

   spi_delay(10);  

  

   gpio_out(SPI_CLK, GPIO_HIGH_VALUE);

    spi_delay(10);

}

}

实际上模拟SPI是很简单的事情，只要对照SPI传输模式的时序图来模拟就行了。需要注意的是一定要有个等待时间，以使数据在数据线上稳定下来，并使设备端有时间取数据。刚开始调试的时候可以适当把等待时间延长一点，当调通了SPI后在降下等待时间。

   我写的等待时间如下：

   #define spi_delay(delay)   \

   { \

       register uint32 i = 0; \

       while(i < delay) { \

            __asm{ \

                 NOP; \

                 NOP; \

                 NOP; \

                 NOP; \

              }; \

              i -= 4; \

         } \

     }