基于硬件 SPI 的数据抽象实例
Posted Frey_Liu
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了基于硬件 SPI 的数据抽象实例相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
1.写在前面
spi(Serial Peripheral Interface)即串行外设接口。与i2c一样,spi也常用外设设备通信的总线,从事嵌入式开发必不可少的掌握。
根据本人以往的经历,对spi进行总结(主要是MCU范畴,Linux已有成熟的驱动设备),主要目的及实现:
-
spi总线与spi设备分离;
-
快速使用新的硬件spi或者模拟spi;
-
方便移植spi总线设备及spi外设程序到不同mcu平台。
2.spi总线抽象
此部分实现源码为:spi_core.c spi_core.h
2.1 spi总线模型对外接口(API)
/*extern function*/
extern int spi_send_then_recv(struct spi_dev_device *spi_dev,const void *send_buff,
unsigned short send_size,void *recv_buff,unsigned short recv_size);
extern int spi_send_then_send(struct spi_dev_device *spi_dev,const void *send_buff1,
unsigned short send_size1,const void *send_buff2,unsigned short send_size2);
extern int spi_send_recv(struct spi_dev_device *spi_dev,const void *send_buff,void *recv_buff,
unsigned short data_size);
extern int spi_send(struct spi_dev_device *spi_dev,const void *send_buff,unsigned short send_size);
- 1)spi_send_then_recv,标准spi,常规操作,发送完一帧再接收,如读取某芯片寄存器的值;
- 2)spi_send_then_send,标准spi,常规操作,发送完一帧再发送,如向某芯片寄存器(地址)写入数据;
- 3)spi_send_recv,非标spi,具体看芯片时序图,产生时钟信号,发送完成的同时,也接收完成;第二种情况是,只接收,发送动作只是用来产生时钟信号,如一些AD芯片;
- 4)spi_send,标准或非标spi都使用,只发送无返回值或者无须理会返回值,如spi LCD屏。
2.2 spi总线抽象API实现
以“spi_send_then_recv”函数为例:
- 1)spi_dev:spi设备指针,类型为“struct spi_dev_device”,驱动一个spi外设时,首先需要对此指针进行初始化;
- 2)send_buff:待发送数据(缓存);
- 3)send_size:发送数据量大小(单位字节);
- 4):recv_buff:存放返回值数据缓存(地址);
- 5):recv_size:返回数据量大小。
另外3个函数,第一个参数都为spi设备指针,其他参数为发送/接收缓冲区,收发数据量等,通过变量名即可看出。
2.3 struct spi_de_device
该结构体为关键,调用API驱动一个外设时,需要先初始化(类似Linux的注册设备驱动)。一个完整的spi外设,包括片选和总线量部分,一个总线可和多个片选组成,驱动多个外设,因此struct spi_dev_device设计原型为:
struct spi_dev_device
{
void (*spi_cs)(unsigned char state);
struct spi_bus_device *spi_bus;
};
-
1)第一个参数为函数指针,主要功能的实现spi外设片选的选择(拉低/拉高)功能;
-
2)第二个参数为spi总线相关的结构体指针,主要是底层相关收据收发的的功能,具体继续往下看改结构体。
2.4 struct spi_bus_device *spi_bus
该结构体为底层硬件相关的spi总线实现,具体由实际需求实现,如用硬件spi还是用模拟spi。struct spi_bus_device*spi_bus原型为:
struct spi_bus_device
{
int (*spi_bus_xfer)(struct spi_dev_device *spi_bus,struct spi_dev_message *msg);
void *spi_phy;
unsigned char data_width;
};
-
1)第一个参数是函数指针,为spi总线收发函数,这部分就是我们平常写裸机代码时候写到的,只是这里把它放在一个结构体里面,以函数指针的方式实现;这样的好处是,上层接口不变,更好其他MCU或者使用模拟spi时,只需修改此部分的函数实体,上层代码不需变动。
-
2)第二个参数,一个指针,表示具体物理spi,如stm32的SPI1、SPI2,或者模拟spi;
-
3)第三参数,数据宽度,一般是8bit或者16bit。
其他参数,如数据速率、spi模式等,其实也可以放在此处,只是个人觉得此类参数不常变动,为了节约内存,故不加入此结构体配置中。下面中断分析函数指针
int (*spi_bus_xfer) (struct spi_dev_device *spi_bus,struct spi_dev_message *msg)
2.5 spi_bus_xfer
该函数指针入口参数为spi设备指针(struct spi_dev_device )、spi设备信息帧指针(struct spi_dev_message)。struct spi_dev_device与前面提及的为同一类参数,struct spi_dev_message为收发数据信息帧,其原型如下:
struct spi_dev_message
{
const void *send_buf;
void *recv_buf;
int length;
unsigned char cs_take : 1;
unsigned char cs_release : 1;
};
-
1)send_buf:待发送数据(缓存);
-
2)recv_buf:存放返回值数据缓存(地址);
-
3)length:发送/接收数据长度;
-
4)cs_take:使能片选;
-
5)cs_release:释放片选。
3. spi总线抽象实现
此部分实现源码为:spi_hw.c spi_hw.h
3.1 spi总线抽象API实现
- 第一步:“spi_send_then_recv”,实现代码如下:
int spi_send_then_recv(struct spi_dev_device *spi_dev,const void *send_buff,unsigned short send_size,void *recv_buff,unsigned short recv_size)
{
struct spi_dev_message message;
message.length = send_size;
message.send_buf = send_buff;
message.recv_buf = 0;
message.cs_take = 1;
message.cs_release = 0;
spi_dev->spi_bus->spi_bus_xfer(spi_dev,&message);
message.length = recv_size;
message.send_buf = 0;
message.recv_buf = recv_buff;
message.cs_take = 0;
message.cs_release = 1;
spi_dev->spi_bus->spi_bus_xfer(spi_dev,&message);
return 0;
}
-
实现的功能是,spi发送完一帧后再接收一帧数据。
-
1)spi_dev即是传入的设备指针;
-
2)收发参数主要传递给“spi_dev_message”;
-
3)对于第一帧“spi_dev_message”,不接收返回值,所以recv_buf设置空(0);此时片选拉低(cs_take=1),发送完还不能拉高片选(cs_release=0),待后面接收帧接收完再拉高片选(cs_release=1),从外设时序图也可以看出;
-
4)对于第二帧,此时发送数据为空,所以send_buf设置为0,此时的发送动作并非真的发送,只是用来产生接收数据的时钟信号。
-
第二步:spi_send_then_send,与spi_send_then_recv类似,只是后面的“接收”动作变为“发送”动作,故不作重复分析,源码看附件。
-
第三步:spi_send_recv,实现代码如下:
int spi_send_recv(struct spi_dev_device *spi_dev,const void *send_buff,void *recv_buff,unsigned short data_size)
{
message.length = data_size;
message.send_buf = send_buff;
message.recv_buf = recv_buff;
message.cs_take = 1;
message.cs_release = 1;
spi_dev->spi_bus->spi_bus_xfer(spi_dev,&message);
return 0;
}
-
实现功能是发送完同时接收完,或者只接收。
- 1)spi_dev即是传入的设备指针;
- 2)收发数据及长度由用户通过形参传入,只接收时,发送数据缓存可设置为空(0);
- 3)操作前拉低片选(cs_take=1),操作完成片选拉高(cs_release=1);
- 第四步:spi_send,实现代码如下:
int spi_send(struct spi_dev_device *spi_dev,const void *send_buff,unsigned short send_size)
{
struct spi_dev_message message;
message.length = send_size;
message.send_buf = send_buff;
message.recv_buf = 0;
message.cs_take = 1;
message.cs_release = 1;
spi_dev->spi_bus->spi_bus_xfer(spi_dev,&message);
return 0;
}
该函数与spi_send_recv非常类似,但只有“发送”动作,无“接收”动作,故recv_buf设置为空(0)。
3.2 spi总线抽象底层实现(以stm32为例)
主要实现“struct spi_bus_device”中的“spi_bus_xfer”函数,此部分相当于平常裸机代码。以8bit模式为例,代码如下,详细代码看附件“spi_hw.c”。
static int stm32_spi_bus_xfer(struct spi_dev_device *spi_dev,struct spi_dev_message *msg)
{
int size;
SPI_TypeDef *SPI_NO;
SPI_NO = (SPI_TypeDef *)spi_dev->spi_bus->spi_phy;
size = msg->length;
if(msg->cs_take)
{/* take CS */
spi_dev->spi_cs(0);
}
if(spi_dev->spi_bus->data_width <=8)
{
const unsigned short * send_ptr = msg->send_buf;
unsigned short *recv_ptr = msg->recv_buf;
while(size--)
{
unsigned short data = 0xFF;
if(send_ptr != 0)
{
data = *send_ptr++;
}
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_NO, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
SPI_I2S_SendData(SPI_NO, data);
while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI_NO, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
data = SPI_I2S_ReceiveData(SPI_NO);
if(recv_ptr != 0)
{
*recv_ptr++ = data;
}
}
}
if(msg->cs_release)
{/* release CS */
spi_dev->spi_cs(1);
}
return msg->length;
}
主要功能:
- 1)数据收发,片选选择/释放;
- 2)分为8bit模拟和16bit模式收/发。
3.3 最后,执行相关初始化,如IO口、时钟、spi相关配置。
void stm32f1xx_spi_init(struct spi_bus_device *spi0,unsigned char byte_size0,struct spi_bus_device *spi1,unsigned char byte_size1)
{
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
if(spi0)
{//SPI1
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
if(byte_size0 <= 8)
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
else
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_64;
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
//spi io
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
spi0->data_width = byte_size0;
spi0->spi_bus_xfer = stm32_spi_bus_xfer;
spi0->spi_phy = SPI1;
}
}
注意问题点:
-
1)spi 4种模式根据器件时序图选择,一般选择第一种(L,1)或者第三种(H,2);
-
2)片选控制模式(SPI_NSS)必须选择软件控制模式;
-
3)设置为“全双工模式”,此模式下能够适应各类标准、非标准spi;
-
4)spi0指针初始化,即是只需上一步我们实现的函数实体,及相关spi参数。
3.4 小结
至此,一个stm32硬件spi总线实现完毕,剩下的就是利用这个总线驱动一个spi外设。也可以通过io口模拟spi,后面再写一篇使用模拟spi的文章,主要改动也在此处,总线程序或者下面的外设程序都无需修改。
4. 使用spi抽象(以25aa256 EEPROM为例)
此部分实现源码为:25xx.c 25xx.h
4.1 初始化(注册设备)
采用stm32 SPI2驱动25aa256,步骤如下:
- 1)定义spi总线设备及EEPROM设备
struct spi_dev_device ee_25xx_spi_dev;
struct spi_bus_device spi_bus1;
- 2)初始化IO及2个设备指针
首先实现片选函数实体,片选(CS)IO为PB12。
static void spi1_cs(unsigned char state)
{
if (state)
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
else
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
初始化25aa256.
void ee_25xx_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/* SPI2 cs */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
/* device init */
st32f1xx_spi_init(0,&spi_bus1);
ee_25xx_spi_dev.spi_cs = spi1_cs;
ee_25xx_spi_dev.spi_bus = &spi_bus1;
}
“ee_25xx_spi_dev”即是我们“注册”的设备,下面可通过上面描述API操作25aa256,传入参数为“ee_25xx_spi_dev”地址(指针)。
4.2 操作(读写)25aa256
- 1)25aa256使能寄存器操作
void ee_25xx_write_enable(uint8_t select)
{
spi_send(&ee_25xx_spi_dev,&select,1);
}
该操作用到“spi_send”接口,无返回值,简单明了!
- 2)向25aa256写入1字节数据
void ee_25xx_write_byte(uint16_t write_addr,uint8_t write_data)
{
uint8_t send_buff[3];
ee_25xx_write_enable(REG_WRITE_ENABLE);
send_buff[0] = REG_WRITE_COMMAND;
send_buff[1] = (write_addr>>8)&0xff;
send_buff[2] = write_addr&0xff;
spi_send_then_send(&ee_25xx_spi_dev,send_buff,3,&write_data,1);
ee_25xx_write_enable(REG_WRITE_DISABLE);
}
-
该操作用到“spi_send_then_send”接口,从函数名称也可以很好地理解。基本步骤为:
-
- 使能25aa256;
-
- 发送缓存填充,此部分包括写命令、写地址;
-
- 写数据填充,单个字节直接调用形参,无额外申请内存;
-
- 调用“spi_send_then_send”,完成写操作。
- 3)从25aa256读取数据
void ee_25xx_read_bytes(uint16_t read_addr,uint8_t *read_buff,uint16_t read_bytes)
{
uint8_t send_buff[3];
send_buff[0] = REG_READ_COMMAND;
send_buff[1] = (read_addr>>8)&0xff;
send_buff[2] = read_addr&0xff;
spi_send_then_recv(&ee_25xx_spi_dev,send_buff,3,read_buff,read_bytes);
}
-
该操作用到“spi_send_then_recv”接口。基本步骤为:
-
- 发送缓存填充,此部分包括写命令、写地址;
-
- 形参地址传递作为接收地址;
-
- 调用“spi_send_then_send”,完成读操作。
-
4)25aa256写状态寄存器、读状态寄存器,同理,详细看源码。
-
5) 25aa256页写算法与i2c接口的EEPROM(AT24c16)原理相同,可以查看另一篇文章:EEPROM页写算法
4.3 25aa256驱动小结
至此,完成25aa256的驱动程序,所有操作通过上述4个API接口,移植到新的mcu平台时,该器件驱动程序几乎无须修改,只需修改spi底层相关的函数。驱动其他spi外设,与25aa256的流程步骤一致。
其实,通过此问题也可发现,驱动一个设备是相对简单,更多的难点是在应用,比如25aa256的页写算法。因此,把底层“轮子”造好后,不需再重复造轮子,把更多的时间花在研究应用上面。
5. 总结
本文主要描述mcu下spi总线的抽象分层,主要实现手段是充分利用结构体和函数指针。
-
1)使用spi总线、增加新总线、移植到新平台等,只需将“struct spi_bus_device”中函数指针实例化,spi相关参数初始化即可;
-
2)驱动一个外设时,首先加入片选实例化函数,初始化“struct spi_dev_device”,然后调用4个API函数操作外设;
-
3)同一个总线可以挂多个外设,即是定义多个“struct spi_dev_device”指针,此时片选函数需额外定义,总线指针初始化为已初始的总线实例;假设再增加一个adc外设:
struct spi_dev_device adc_spi_dev;
static void spi1_cs1(unsigned char state)
{
if (state)
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11);
else
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11);
}
void adc_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/* SPI cs */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11);
/* device init */
//st32f1xx_spi_init(0,&spi_bus1); /* 共用spi1,已经初始化过,无需重复初始化 */
adc_spi_dev.spi_cs = spi1_cs1; /* 片选函数必须独立 */
adc_spi_dev.spi_bus = &spi_bus1; /* 指向spi1 */
}
- 4)至于非标准spi,大部分情况都可以用此4个API实现,目前为止,鄙人所用过的spi器件都可以实现。
6. 源码
[1] https://github.com/Prry/drivers-for-mcu
7. 参考
以上是关于基于硬件 SPI 的数据抽象实例的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章