SPI¶

SPI介绍¶

多从机SPI通信网络连接如下图所示：

从上图可以知道，MOSI、MISO、SCLK 引脚连接 SPI 总线上每一个设备，如果 CS 引脚为低电平，则从设备只侦听主机并与主机通信。SPI主设备一次只能和一个从设备进行通信。如果主设备要和另外一个从设备通信，必须先终止和当前从设备通信，否则不能通信。

SPI 通信有 4 种不同的模式，不同的从机可能在出厂时就配置为某种模式，这是不能改变的。通信双方必须工作在同一模式下，才能正常进行通信，所以可以对主机的 SPI 模式进行配置。SPI 通信模式是通过配置 CPOL（时钟极性）和 CPHA（时钟相位）来选择的。

CPOL，详称 Clock Polarity，就是时钟极性，当主从机没有数据传输的时候即空闲状态，SCL 线的电平状态，假如空闲状态是高电平，CPOL=1；若空闲状态时低电平，那么 CPOL = 0。

CPHA，详称 Clock Phase，就是时钟相位，实质指的是数据的采样时刻。CPHA = 0 表示数据的采样是从第 1 个边沿信号上即奇数边沿，具体是上升沿还是下降沿的问题，是由 CPOL 决定的。CPHA=1 表示数据采样是从第 2 个边沿即偶数边沿。

1）模式 0，CPOL=0，CPHA=0；空闲时，SCL 处于低电平，数据采样在第 1 个边沿，即SCL 由低电平到高电平的跳变，数据采样在上升沿，数据发送在下降沿。

2）模式 1，CPOL=0，CPHA=1；空闲时，SCL 处于低电平，数据采样在第 2 个边沿，即SCL 由高电平到低电平的跳变，数据采样在下升沿，数据发送在上降沿。

3）模式 2，CPOL=1，CPHA=0；空闲时，SCL 处于高电平，数据采样在第 1 个边沿，即SCL 由高电平到低电平的跳变，数据采样在下升沿，数据发送在上降沿。

4）模式 3，CPOL=1，CPHA=1；空闲时，SCL 处于高电平，数据采样在第 2 个边沿，即SCL 由低电平到高电平的跳变，数据采样在上升沿，数据发送在下降沿。

ESP32-S3 SPI 控制器¶

ESP32-S3 芯片集成了四个 SPI 控制器，分别为 SPI0、SPI1、SPI2 和 SPI3。SPI0 和 SPI1 控制器主要供内部使用以访问外部 FLASH 和 PSRAM，所以只能使用 SPI2 和 SPI3 。SPI2 又称为HSPI，而 SPI3 又称为 VSPI，这两个属于 GP-SPI。 GP-SPI 特性： - 支持主机模式和从机模式

• 支持半双工通信和全双工通信

• 支持多种数据模式：

  • SPI2：1-bit SPI 模式、2-bit Dual SPI 模式、4-bit Quad SPI 模式、QPI 模式、8-bit Octal 模式、OPI 模式

  • SPI3：1-bit SPI 模式、2-bit Dual SPI 模式、4-bit Quad SPI 模式、QPI 模式

• 时钟频率可配置：

  • 在主机模式下：时钟频率可达 80MHz

  • 在从机模式下：时钟频率可达 60MHz

• 数据位的读写顺序可配置

• 时钟极性和相位可配置

• 四种 SPI 时钟模式：模式 0 ~ 模式 3

• 在主机模式下，提供多条 CS 线

  • SPI2：CS0 ~ CS5

  • SPI3：CS0 ~ CS2

• 支持访问 SPI 接口的传感器、显示屏控制器、flash 或 RAM 芯片

SPI2 和 SPI3 接口相关信号线可以经过 GPIO 交换矩阵和 IO_MUX 实现与芯片引脚的映射，IO 使用起来非常灵活

测试用例¶

本章使用SPI控制LCD显示屏，请结合LCD章节进行学习。测试用例如下：

“按下复位之后，就可以看到 SPI LCD 模块不停的显示一些信息并不断切换底色。LED 闪烁用于提示程序正在运行。”

电路图¶

重点函数解析¶

初始化和配置¶

该函数用于初始化 SPI 总线，并配置其 GPIO引脚和主模式下的时钟等参数，该函数原型如下所示：

esp_err_t spi_bus_initialize(spi_host_device_t host_id,
                    const spi_bus_config_t *bus_config,
                                spi_dma_chan_t dma_chan);

返回值：ESP_OK 配置成功。其他配置失败。

该函数使用 spi_bus_config_t 类型的结构体变量传入，笔者此处列举了我们需要用到的结构体，该结构体的定义如下所示：

typedef struct {
    int miso_io_num; /* MISO 引脚号 */ 
    int mosi_io_num; /* MOSI 引脚号 */ 
    int sclk_io_num; /* 时钟引脚号 */ 
    int quadwp_io_num; /* 用于 Quad 模式的 WP 引脚号，未使用时设置为-1 */ 
    int quadhd_io_num; /* 用于 Quad 模式的 HD 引脚号，未使用时设置为-1 */ 
    int max_transfer_sz; /* 最大传输大小 */
    … /* 其他特定的配置参数 */
} spi_bus_config_t;

设备配置¶

该函数用于在 SPI 总线上分配设备，函数原型如下所示：

esp_err_t spi_bus_add_device(spi_host_device_t host_id,
       const spi_device_interface_config_t *dev_config,
                           spi_device_handle_t *handle);

该函数的形参描述，如下表所示：

返回值：ESP_OK 配置成功。其他配置失败。

该函数使用 spi_host_device_t 类型以及 spi_device_interface_config_t 类型的结构体变量传入SPI 外围设备的配置参数，该结构体的定义如下所示：

/**
* @brief 带有三个 SPI 外围设备的枚举，这些外围设备可通过软件访问
*/
typedef enum {
    /* SPI1 只能在 ESP32 上用作 GPSPI */
    SPI1_HOST = 0, /* SPI1 */
    SPI2_HOST = 1, /* SPI2 */
#if SOC_SPI_PERIPH_NUM > 2
    SPI3_HOST = 2, /* SPI3 */
#endif
    SPI_HOST_MAX, /* 无效的主机值 */
}spi_host_device_t
typedef struct {
    uint32_t command_bits; /* 命令阶段的位数 */
    uint32_t address_bits; /* 地址阶段的位数 */
    uint32_t dummy_bits; /* 虚拟阶段的位数 */
    int clock_speed_hz; /* 时钟速率 */
    uint32_t mode; /* SPI 模式（0-3） */
    int spics_io_num; /* CS 引脚号 */
    ...             /* 其他设备特定的配置参数 */
    } spi_device_interface_config_t;

数据传输¶

根据函数功能，以下函数可以归为一类进行讲解，下面将以表格的形式逐个介绍这些函数的作用与参数。

依赖关系¶