教你玩转[15]_RVSTAR—SPI总线通信篇

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SPI 是一种同步、高速、全双工的通信总线，全称为Serial Peripheral Interface（串行外设接口），由Motorola公司提出。在嵌入式系统设计时，常使用SPI接口连接一些传感器、外接存储器或通信模组，本期内容将通过RV-STAR和Arduino UNO间的SPI通信例程，带领大家了解SPI的应用方法。

• 系统环境  Windows 10-64bit
• 软件平台  NucleiStudio IDE 202102版 CoolTerm
• 硬件需求  RV-STAR开发板 Arduino UNO开发板
  

一、SPI原理简介

​SPI是一种主从式的总线通信，通常是“一主一从”或“一主多从”，但如果能保证系统中任意时刻只有一个处于激活状态的主设备，也可以通过时分实现一条总线上有多个主设备。

标准的SPI需要四根信号线：
SS（Slave Select）：从设备选择，也称片选，主机通过拉低从机的片选信号选择从机
SCK（Serial Clock）：传输时钟的信号线，时钟信号由主机产生，类似于I2C的SCL
MOSI（Master Out Slave In）：主设备输出，从设备输入，由主机向从机发送数据的通道
MISO（Master In Slave Out）：主设备输入，从设备输出，由从机向主机发送数据的通道

SPI的工作基于移位寄存器：为实现数据传输或数据接收，主设备和从设备包含了专用的移位寄存器，通常是8位或16位。工作过程就像一个环形传送带：由主机逐位将数据放在传送带上，并驱动传送带将数据传送到从机，同时从机也会同步地逐位将数据传送给主机。

二、GD32VF103的SPI模块

GD32VF103的SPI接口模块提供了基于SPI协议的数据发送和接收功能，可以工作于主机或从机模式，同时具有硬件CRC计算和校验的全双工及半双工模式。

SPI模块的主要特征

• 支持全双工和半双工的主从操作
• 16位宽度，独立的发送和接收缓冲区
• 8位或16位数据帧格式
• 低位在前或高位在前的数据位顺序
• 软件和硬件NSS管理
• 硬件CRC计算、发送和校验
• 发送和接收支持DMA模式
• 支持SPI TI模式
• 支持SPI NSS脉冲模式
  

更多有关信息可以查阅《GD32VF103中文用户手册》


三、实验部分

实验部分我们将实现一个简单的SPI通信过程：字符串数据由主机（RV-STAR）生成，并通过SPI接口发送到从机（Arduino UNO），然后从机再将字符串数据通过串口打印输出到PC主机上。

由于我们采用的是“一主一从”的通信模式，不需要进行片选，因此可以省去SS线的连接（但一定要共地线），这样也可以同时简化部分代码，可以参考如下方式将两个开发板进行连线：

然后需要分别创建工程并编写代码，RV-STAR的工程创建相信读者们已经很熟悉了，Arduino的话，可用Arduino IDE进行开发。

RV-STAR 作为 SPI 主机，在传输数据前需要对 SPI 外设进行配置：首先使能外设时钟，然后初始化输出端口，SCK 和 MOSI 引脚初始化为推挽输出模式，MOSI需要初始化为浮空输入模式；然后创建一个 SPI 初始化结构体并进行配置，其中，需要设置时钟极性为低、在第一个跳变沿处理数据（即 SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE），这是为了和Arduino的SPI默认配置保持一致，另外由于Arduino本身的时钟速率较低，SPI速率不宜过高，因此这里分频系数设置为128，配置部分的完整代码如下：

1. void spi_config()
   
2. {
   
3.     rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
   
4.     rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
   
5.     rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI0);
   
6. 
   
7.     /* configure SPI0 GPIO : SCK/PA5, MISO/PA6, MOSI/PA7 */
   
8.     gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_7);
   
9.     gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);
   
10. 
    
11.     spi_parameter_struct spi_init_struct;
    
12.     /* deinitialize SPI and the parameters */
    
13.     spi_i2s_deinit(SPI0);
    
14.    
    
15.     spi_struct_para_init(&spi_init_struct);
    
16.     /* configure SPI0 parameters */
    
17.     spi_init_struct.trans_mode = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;
    
18.     spi_init_struct.device_mode = SPI_MASTER;
    
19.     spi_init_struct.frame_size = SPI_FRAMESIZE_8BIT;
    
20.     spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;
    
21.     spi_init_struct.nss = SPI_NSS_SOFT;
    
22.     spi_init_struct.prescale = SPI_PSC_128;
    
23.     spi_init_struct.endian = SPI_ENDIAN_MSB;
    
24.     spi_init(SPI0, &spi_init_struct);
    
25. }

复制代码

配置完成后，主函数部分就比较简单了，主要是调用刚刚编写好的SPI配置函数和使能函数，然后在循环体中使用 spi_i2s_data_transmit() 发送字节流，需要注意的是需要通过 TBE 和 RBNE 两个寄存器来判断每个字节发送完成后，再发送下一个字节。

注意：当连接多个从机时，每次发送或接收数据前后，需要通过软件控制NSS拉低和拉高以选择从机，并且可以使用普通的GPIO端口作为片选引脚。

1. int main()
   
2. {
   
3.     /* configure SPI */
   
4.     spi_config();
   
5.     /* SPI enable */
   
6.     spi_enable(SPI0);
   
7. 
   
8.     while (1)
   
9.     {
   
10.         char c;
    
11.         for (const char *p = "Hello World\n\r"; c = *p; p++)
    
12.         {
    
13.             while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_TBE));
    
14.             spi_i2s_data_transmit(SPI0, c);
    
15.             while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI0, SPI_FLAG_RBNE));
    
16.         }
    
17.         delay_1ms(2000);
    
18.     }
    
19. }

复制代码

Arduino作为从机，首先需要初始化SPI外设并使能中断（由于Arduino的SS引脚默认拉低，即从机传输状态，因此不需要进行额外的配置），在SPI的中断服务程序中接收主机发送的数据，在每次接收完成后（通过'\r'来判断），在主循环中通过串口打印出来，其代码如下：

1. /* UNO_SPI_SLAVE.cpp */
   
2. #include "Arduino.h"
   
3. #include "SPI.h"
   
4. 
   
5. char buff[64];
   
6. volatile byte index = 0;
   
7. volatile boolean process = false;
   
8. 
   
9. void setup() {
   
10.   Serial.begin(115200);
    
11.   pinMode(MISO, OUTPUT);
    
12.   SPCR |= _BV(SPE); // turn on SPI in Slave mode
    
13.   SPI.attachInterrupt();
    
14. }
    
15. 
    
16. void loop() {
    
17.   if(process) {
    
18.     process = false;
    
19.     Serial.println(buff);
    
20.   }
    
21. }
    
22. 
    
23. ISR(SPI_STC_vect) {
    
24.   byte c = SPDR; // read byte form SPI Data Register
    
25.   if(index < sizeof(buff)) {
    
26.     buff[index++] = c;
    
27.     if(c == '\r') {
    
28.       index = 0;
    
29.       process = true;
    
30.     }
    
31.   }
    
32. }

复制代码

将RV-STAR和Arduino的工程代码各自编译并上传后，保持Arduino和PC的连接。

然后使用CoolTerm打开Arduino对应的串行端口（CoolTerm的用法可以参考往期文章），可以在终端中观察到不断打印出的Hello World消息，参见下图：

说明Arduino成功通过SPI接受到了发自RV-STAR的数据，并且通过串口打印了出来。

源码获取请参考：https://github.com/Nuclei-Software/nuclei-board-labs/tree/master/rvstar/spi/spi_master_polling

完