GPIO模拟SPI通讯接口

一、SPI总述

    SPI 是一种允许一个主设备启动一个与从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。也就是说，SPI是一种规定好的通讯方式。这种通信方式的优点是占用端口较少，一般4根就够基本通讯了。同时传输速度也很高。一般来说要求主设备要有SPI控制器（但可用模拟方式），就可以与基于SPI的芯片通讯了。

    常见的SPI外围设备包括FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。

    SPI 的通信原理很简单，它需要至少4根线，事实上3根也可以。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）。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，数据在时钟上沿或下沿时改变，在紧接着的下沿或上沿被读取。 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。这就不适用于多处理器的无主控通讯。

     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，需要参考相关器件的文档。

二、SPI的信号线

之前说过，SPI一共有4根信号线，再回顾下作用：

SCLK：Serial Clock，（串行）时钟 

SDI（MISO）：Master In Slave Out，主设备输入，从设备输出

SDO（MOSI）：Master Out  Slave In，主设备输出，从设备输入 

CS:    Chip Select，选中从设备，片选

 GPIO模拟SPI总的来说是比较简单，把相应的管脚配置成GPIO功能，再按需要配置管脚的输入输出方向，然后根据SPI总线的时序设定IO口的电平。例如，要实现一块LCD的驱动，LCD与主控芯片之间使用SPI协议通信，GPIO就可以这样配置——由于主控芯片不需要从LCD读取数据，SDI可以不接；LCD需要一直被控制，CS接地，使LCD一直处于使能状态。

三、相位和极性

CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （时钟）极性

CKPHA (Clock Phase) = CPHA = PHA = Phase = （时钟）相位

1、CPOL  极性

先解释下什么是SCLK时钟的空闲。SCLK空闲就是当SCLK在数发送8个bit比特数据之前和之后的状态，于此对应的，SCLK在发送数据的时候，就是正常的工作的时候，有效active的时刻了。    
简单的说，SPI的CPOL，表示当SCLK空闲的时候，其电平的值是低电平0还是高电平。
CPOL=0，时钟空闲idle时候的电平是低电平，所以当SCLK有效的时候，就是高电平，就是所谓的active-high 
CPOL=1，时钟空闲idle时候的电平是高电平，所以当SCLK有效的时候，就是低电平，就是所谓的active-low

2、CPHA  相位

相位，对应着数据采样是在第几个边沿（edge），是第一个边沿还是第二个边沿，0对应着第一个边沿，1对应着第二个边沿。 

CPHA=0，表示第一个边沿： 
对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿； 
对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从高变到低，所以是下降沿； 
CPHA=1，表示第二个边沿： 
对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第二个边沿就是从高变到低，所以是下降沿； 
对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

如上所述，CPOL和CPHA可构成4种组合，这就是常说的SPI四种传输模式——

CPOL=0, CPHA=0 
CPOL=0, CPHA=1
CPOL=1, CPHA=0 
CPOL=1, CPHA=1

有图有真相：

四、GPIO模拟SPI驱动

概念了解清楚了，我们来上代码吧

#define SS  252      //定义SS所对应的GPIO接口编号
#define SCLK 253      //定义SCLK所对应的GPIO接口编号
#define MOSI 254      //定义SCLK所对应的GPIO接口编号
#define MISO 255      //定义MISO所对应的GPIO接口编号
#define OUTP 1      //表示GPIO接口方向为输出
#define INP 0       //表示GPIO接口方向为输入
/* SPI端口初始化 */
void spi_init()
{
	set_gpio_direction(SS, OUTP);
	set_gpio_direction(SCLK, OUTP);
	set_gpio_direction(MOSI, OUTP);
	set_gpio_direction(MISO, INP);
	set_gpio_value(SCLK, 0);     //CPOL=0
	set_gpio_value(MOSI, 0);
}
/*
从设备使能
enable：为1时，使能信号有效，SS低电平
为0时，使能信号无效，SS高电平
*/
void ss_enable(int enable)
{
	if (enable)
		set_gpio_value(SS, 0);     //SS低电平，从设备使能有效
	else
		set_gpio_value(SS, 1);     //SS高电平，从设备使能无效
}
 /* SPI字节写 */
void spi_write_byte(unsigned char b)
{
	int i;
	for (i=7; i>=0; i--) {
		set_gpio_value(SCLK, 0);
		set_gpio_value(MOSI, b&(1<<i));   //从高位7到低位0进行串行写入
		delay();       //延时
		set_gpio_value(SCLK, 1);    // CPHA=1，在时钟的第一个跳变沿采样
		delay(); 
	}
}
/* SPI字节读 */
unsigned char spi_read_byte()
{
	int i;
	unsigned char r = 0;
	for (i=0; i<8; i++) {
		set_gpio_value(SCLK, 0);
		delay();       //延时
		set_gpio_value(SCLK, 1);    // CPHA=1，在时钟的第一个跳变沿采样
		r = (r <<1) | get_gpio_value(MISO);   //从高位7到低位0进行串行读出
		delay();
	}
}
/*
 SPI写操作
 buf：写缓冲区
 len：写入字节的长度
*/
void spi_write (unsigned char* buf, int len)
{
	int i;
	spi_init();       //初始化GPIO接口
	ss_enable(1);       //从设备使能有效，通信开始
	delay();        //延时
	//写入数据
	for (i=0; i<len; i++)
		spi_write_byte(buf[i]);
	delay();
	ss_enable(0);       //从设备使能无效，通信结束
}
/*
SPI读操作
buf：读缓冲区
len：读入字节的长度
*/
void spi_read(unsigned char* buf, int len)
{
	int i;
	spi_init();       //初始化GPIO接口
	ss_enable(1);       //从设备使能有效，通信开始
	delay();        //延时
	//读入数据
	for (i=0; i<len; i++)
		buf[i] = spi_read_byte();
	delay();
	ss_enable(0);       //从设备使能无效，通信结束
}