C語言軟件spi虛擬總線中間層設計詳解

更新時間：2023年01月30日 11:27:10 作者：MacRsh

這篇文章主要為大家介紹了C語言軟件spi虛擬總線中間層設計詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

簡介

mr-soft-spi 模塊為 mr-library 項目下的可裁剪模塊，以C語言編寫，可快速移植到各種平臺（主要以嵌入式mcu為主）。 mr-soft-spi 模塊通過 io 模擬實現(xiàn) spi 協(xié)議。

SPI-協(xié)議

SPI 一般為一主多從設計。由4根線組成：CLK（時鐘）、MISO（主機輸入-從機輸出）、MOSI（主機輸出-從機輸入）、CS/NSS（片選）。

接線方式

主機	從機
CLK	CLK
MISO	MISO
MOSI	MOSI
CS/NSS	CS/NSS

主機從機一一對應相接。

總線

SPI之所以被稱為總線，是其可以在一條總線上掛載多個設備，不同于IIC的地址碼設計，設備通過CS/NSS切換，更加高效。

理論上SPI可以掛載無限多的設備，只要有足夠的CS/NSS。但在實際應用中IO資源是極為稀缺的，所以利用SPI的特性，有了菊花鏈設計。

主機將數(shù)據發(fā)送給從機1，從機1將數(shù)據發(fā)送給從機2，從機2將數(shù)據發(fā)送給從機3。菊花鏈充分利用了SPI的工作本質，減少了IO的占用。

工作本質

我們可以看到在MOSI和MISO之間有一個移位寄存器，需要發(fā)送的數(shù)據從主機內部被寫入到Tx buffer，然后移位寄存器移動一位，那么數(shù)據就被“擠”出到MOSI上，因為整體結構為環(huán)形，與此同時MISO上也被“擠”進了一位數(shù)據，存入Rx buffer，以此往復，就完成了全雙工通信。

4種工作模式

時鐘極性

CPOL	空閑時電平
0	空閑時為低電平
1	空閑時為高電平

時鐘相位

CPHA	采集數(shù)據在第幾個邊緣
0	第一個跳變沿采樣
1	第二個跳變沿采樣

工作模式

MODE	CPOL	CPHA
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

時序圖：

h2>虛擬總線（中間層）設計

首先 SPI 總線的CLK、MISO、 MOSI這3條線是不會變動的，所以我們可以把這部分單獨設計為spi-bus，SPI總線需要知道當前有哪個設備擁有SPI總線的使用權，為了防止出現(xiàn)搶占還需要配置一個互斥鎖。

struct mr_soft_spi_bus
{
  void (*set_clk)(mr_uint8_t level);		// 操作 CLK 的函數(shù)指針
  void (*set_mosi)(mr_uint8_t level);		// 操作 MOSI 的函數(shù)指針
  mr_uint8_t (*get_miso)(void);				// 讀取 MISO 的函數(shù)指針
  struct mr_soft_spi *owner;				// 當前該總線的所有者
  mr_uint8_t lock;							// 互斥鎖
};

SPI設備唯一獨有的只有CS/NSS一條線，所以我們把這部分定義為spi-device。SPI設備還需要知道自己歸屬于哪條SPI總線。

struct mr_soft_spi
{
  mr_uint8_t mode         :2;				// SPI 工作模式
  mr_uint8_t cs_active    :1;				// CS/NSS 的有效電平（一般為低）
  struct mr_soft_spi_bus *bus;				// 該設備歸屬的總線
  void (*set_cs)(mr_uint8_t level);			// 操作 CS/NSS 的函數(shù)指針
};

當創(chuàng)建了一條spi-bus，一個spi-device后我們需要一個掛載函數(shù)，即將spi-device掛載到spi-bus上

void mr_soft_spi_attach(struct mr_soft_spi *spi, struct mr_soft_spi_bus *spi_bus)
{
  spi->bus = spi_bus;
}

那么由于是虛擬總線設計，當我們要開始傳輸前需要先去獲取總線。

mr_err_t mr_soft_spi_bus_take(struct mr_soft_spi *spi)
{
  mr_uint8_t spi_bus_lock;
  /* check spi-bus owner */
  if(spi->bus->owner != spi)
  {
    /* check mutex lock */
    do{
      spi_bus_lock = spi->bus->lock;
    } while(spi_bus_lock != MR_UNLOCK);
    /* lock mutex lock */
    spi->bus->lock = MR_LOCK;
    /* stop spi cs */
    if(spi->bus->owner != MR_NULL)
      spi->bus->owner->set_cs(!spi->bus->owner->cs_active);
    /* exchange spi-bus owner */
    spi->bus->owner = spi;
    /* start spi cs */
    spi->set_cs(spi->cs_active);
  }
  else
  {
    /* lock mutex lock */
    spi->bus->lock = MR_LOCK;
    /* start spi cs */
    spi->set_cs(spi->cs_active);
  }
  return MR_EOK;
}

當我們使用完畢后需要釋放總線

mr_err_t mr_soft_spi_bus_release(struct mr_soft_spi *spi)
{
  /* check spi-bus owner */
  if(spi->bus->owner == spi)
  {
    /* stop spi cs */
    spi->set_cs(!spi->cs_active);
    /* unlock mutex lock */
    spi->bus->lock = MR_UNLOCK;
    return MR_EOK;
  }
  return -MR_ERROR;
}

到此其實虛擬總線已經設計完畢，設備需要使用僅需通過掛載 、獲取、釋放 三步操作即可，其余操作交由中間層處理。為調用接口的統(tǒng)一，設計spi-msg

struct mr_soft_spi_msg
{
  mr_uint8_t read_write;                        // 讀寫模式：SPI_WR/ SPI_RD/ SPI_RDWR/ SPI_WR_THEN_RD
  mr_uint8_t *send_buffer;						// 發(fā)送數(shù)據地址
  mr_size_t send_size;							// 發(fā)送數(shù)據個數(shù)
  mr_uint8_t *recv_buffer;						// 接收數(shù)據地址
  mr_size_t recv_size;							//接收數(shù)據個數(shù)
};

然后通過transfer函數(shù)統(tǒng)一調用接口。

mr_err_t mr_soft_spi_transfer(struct mr_soft_spi *spi, struct mr_soft_spi_msg msg)
{
  mr_err_t ret;
  /* check function args */
  MR_DEBUG_ARGS_NULL(spi,-MR_EINVAL);
  MR_DEBUG_ARGS_IF(msg.read_write > SPI_WR_THEN_RD,-MR_EINVAL);
  /* take spi-bus */
  ret = mr_soft_spi_bus_take(spi);
  if(ret != MR_EOK)
    return ret;
  if(msg.read_write == SPI_WR || msg.recv_buffer == MR_NULL)
    msg.recv_size = 0;
  if(msg.read_write == SPI_RD || msg.send_buffer == MR_NULL)
    msg.send_size = 0;
  switch (msg.read_write) {
    case SPI_RD:
      /* receive */
      while (msg.recv_size) {
        *msg.recv_buffer = mr_soft_spi_bus_transmit(spi,0u);
        ++msg.recv_buffer;
        --msg.recv_size;
      }
      break;
    case SPI_WR:
      /* send */
      while (msg.send_size) {
        mr_soft_spi_bus_transmit(spi,*msg.send_buffer);
        ++msg.send_buffer;
        --msg.send_size;
      }
      break;
    case SPI_WR_THEN_RD:
      /* send */
      while (msg.send_size) {
        mr_soft_spi_bus_transmit(spi,*msg.send_buffer);
        ++msg.send_buffer;
        --msg.send_size;
      }
      /* receive */
      while (msg.recv_size) {
        *msg.recv_buffer = mr_soft_spi_bus_transmit(spi,0u);
        ++msg.recv_buffer;
        --msg.recv_size;
      }
      break;
    case SPI_RDWR:
      /* transmit */
      while (msg.send_size) {
        *msg.recv_buffer = mr_soft_spi_bus_transmit(spi,*msg.send_buffer);
        ++msg.send_buffer;
        ++msg.recv_buffer;
        --msg.send_size;
      }
      break;
  }
  /* release spi-bus */
  mr_soft_spi_bus_release(spi);
  return MR_EOK;
}

使用示例

/* -------------------- 配置 -------------------- */
/* 創(chuàng)建一條 spi 總線 */
struct mr_soft_spi_bus spi_bus;
/* 適配 spi 總線接口 */
void set_clk(mr_uint8_t level)
{
  GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,level);
}
void set_mosi(mr_uint8_t level)
{
  GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_1,level);
}
mr_uint8_t get_miso(void)
{
  return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_2);
}
/* 配置 spi 總線 */
spi_bus.set_clk = set_clk;
spi_bus.set_mosi = set_mosi;
spi_bus.get_miso = get_miso;
spi_bus.lock = MR_UNLOCK;
spi_bus.owner = MR_NULL;
/* 創(chuàng)建一個 spi 設備 */
struct mr_soft_spi spi_device;
/* 適配 spi 設備接口 */
void set_cs(mr_uint8_t level)
{
  GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_3,level);
}
/* 配置 spi 設備 */
spi_device.mode = SPI_MODE_0;       //SPI MODE 0
spi_device.cs_active = LEVEL_LOW;   //CS 引腳低電平有效
spi_device.set_cs = set_cs;
/* -------------------- 使用 -------------------- */
int main(void)
{
    /* 需要發(fā)送的數(shù)據 */
    mr_uint8_t buffer[10]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
    /* 初始化 gpio */
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    /* 掛載 spi 設備到 spi 總線 */
    mr_soft_spi_attach(&spi_device,&spi_bus);
    /* 創(chuàng)建 spi 消息 */
    struct mr_soft_spi_msg spi_msg;
    spi_msg.send_buffer = buffer;   //發(fā)送數(shù)據地址
    spi_msg.send_size = 10;         //發(fā)送數(shù)據數(shù)量
    spi_msg.recv_buffer = MR_NULL;  //讀取數(shù)據地址
    spi_msg.recv_size = 0;          //讀取數(shù)據數(shù)量
    spi_msg.read_write = SPI_WR;    //只讀模式
    /* 發(fā)送消息 */
    mr_soft_spi_transfer(&spi_device,spi_msg);
}

剩余底層代碼位于開源代碼中，請下載開源代碼。

開源代碼倉庫鏈接 gitee.com/chen-fanyi/…

路徑：master/mr-library/ device / mr_soft_spi

請仔細閱讀README.md ?。。。。?/p>

以上就是C語言軟件spi虛擬總線中間層設計詳解的詳細內容，更多關于C語言軟件spi虛擬總線中間層的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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