5.6.2 ARM微控制器外设：SPI寄存器与编程在线视频

各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

我们来继续进行我们

ARM微控制器与嵌入式系统里

SPI外设的学习吧

那么在上一个单元里呢

我们学习了SPI的基本的时序结构

以及它能怎么用

包括它一些基本在这个数据帧

和时序上的一些概念

知道了它又灵活又令人烦恼的

这个灵活性 这些相位 时钟这些

那么现在把它都放在一边

我们究竟怎么才能编程

把我们的一个ARM微控制器

或者我们KL25这个芯片上的

SPI的通讯接口给用起来呢

然后我要问大家

把一个SPI外设用起来要几个步骤

如果在我的课堂上很多同学

就会齐声大喊要三个步骤

对 是三个步骤

还是三个步骤

哪三个步骤呢

第一我们要把这个SPI模块

对应的这些时钟打开

第二呢还是要把我们的引脚

指定给SPI模块来用

最后我们要看一看一个SPI模块

这个外设究竟有哪些寄存器

我们对这些寄存器怎么编程和定位

能够实现对它的控制

第一个步骤非常简单

就是把这个时钟打开

这个我们可以讲快一点了

把这个时钟打开呢

还是用到我们芯片手册里

提到的这个System integration这个模块里头

大家熟悉那几个寄存器

一方面是把SPI模块所对应的引脚的

IO对应的时钟打开

另外一方面就是把我们要用到的SPI的

比如SPI0 SPI1这样的模块时钟给打开

那么除了把时钟打开

我们还要建立一个基本的概念

就是从时钟tree上来讲

我们SPI0和除了SPI0之外的SPI1

这几个不同的SPI模块

一个微控制器里可能有若干个

它们的时钟源是不一样的

SPI0使用的是我们这个微控制器的Bus Clock

SPI1及其之后使用的是System Clock

如果我们这个微控制器

在没有单独启用锁相环 锁频环的时候

上电默认状况

我们的System Clock

就是原来提到过很多次的20.97兆

而Bus Clock是它的一半

也就20.97兆除以2

所以我们之后在算我们SPI通讯的

那个速率做分频的时候

用来计算的基本频率SPI0和SPI1

是有一点点不一样的

大家注意一下就好了

那么这些信息在芯片手册上

写的非常清楚

那么很简单我们两句话

一个是打开我们对应的SPI模块的时钟

一个是别忘了打开我们对应这个SPI

所占的这个Port的时钟

一个在SIM的SCGC4里

一个在SIM的SCGC5里头

把它写完

第一个步骤就完成了

第二个步骤呢

把我们所用到的SPI引脚指定给SPI用

而不是当IO用 对吧

那么这个功能就是大家非常熟悉的

每个引脚一个的那个寄存器

PORTx_PCRn寄存器

对于每一个对应的引脚

选择它所要使用的第几号功能是SPI的

这个我们应该慢慢的学会对电路图

我接到了哪个引脚上

这个引脚是哪个Port的第几号引脚

它的第几个功能是SPI

是SPI的MISO还是SPI的MOSI

把它看清楚

自己把这句话写出来就可以了

那么这就是第二个步骤

那么我在今天这节课里重点

前面都已经讲过很多遍对吧

讲讲第三个步骤

对于SPI的寄存器进行编程

真正让它能够收发数据该怎么写

那么大家已经很熟悉了

我们每一个外设都会有一组寄存器

来实现对它的控制 状态读取

以及这个数据的传输等等这些功能

那么我们在一个微控制器里头

SPI模块可能不止一个

比如刚才提到SPI0 SPI1

那么SPI的每一个模块

都有一组寄存器

就是大家所看到的这六个

C1、C2两个控制寄存器

然后这个BR

一个速度速率波特率的寄存器

一个S状态寄存器

一个D数据寄存器

还有一个M match寄存器

那么如果我们看地址映射表的时候

我们会发现在400开始的

这个外设的寄存器这个地址段

4000几几这个地址段里头

每六个寄存器一套

每个SPI模块对应这个寄存器

一套一套来了两遍 对吧

六个是SPI0的 六个是SPI1的

那么对于这六个寄存器 它所控制的背后

是我们一个SPI模块

它实际上的一个框图

一个电路的实现

这个前面也讲过很多次

大家概念越来越清楚

寄存器从编程的角度

是对于地址映射项存储单元的读写

这些存储单元我们写了0或者1以后

表现为对电路上的高低电平

乃至时序对于一些实际电路的控制

从而控制我们的外设

产生我们要的功能

所以寄存器是外设电路与编程之间的

一个interface一个接口

那么我们一个SPI的框图

如果展开来不详细讲的话

势必会有时钟的产生和驱动

在这个时钟上面去获得

我们总线写进来的数据

在这个时钟的驱动下

把这个数据一个比特一个比特的发送出去

同时一个比特一个比特的检测

接收到的数据

这样一系列的功能

构成我们一个SPI的完整通讯模块

那么从编程模型上来讲

我们刚才讲到的这六个寄存器当中

对于基础使用最核心会涉及到是5个

对于本门课程

大家待会做实验会涉及到的其实只是四个

我来一个个给大家讲

第一个我要讲的SPIx_D这个寄存器

就是Data寄存器 数据寄存器

这个寄存器其实是挂在总线上的

一个缓冲结构

一个缓存寄存器

我们可以通过总线给这个寄存器

写入一个值

再把它拷贝到我们的电路里

让电路在时钟驱动下

把这个值一个比特一个比特

按照约定好的时钟 相位 极性

发送出去 对吧

那么这样一个数据寄存器

大家需要理解的最重要的一个点是什么呢

是跟UART异步串行通讯接口一样

它是一个数据寄存器同一个地址映射

但是读和写操作指向了

两个不同的电路实现

所以你对它写

是写入了要发送的数据

你对它读是读到了接口接受到的数据

并且在SPI里头

每当你对SPI_Data这个寄存器

_D这个寄存器完成一次写操作

写入一个数据

其实就是启动了一次SPI的同步串行通讯

那么发送时

数据会从这样一个SPI地址寄存器

移位到我们的移位寄存器

驱动到电路引脚上

接收时

电路引脚接收到的数据

会移到另一个移位寄存器

被我们的读操作读出来

所以是同地址读写不同操作

不同含义

大家理解这件事

那么第二个寄存器呢

是SPI的控制寄存器1

这个控制寄存器里头有非常多的比特

我将我们在这门课里

会用到的在图上标为了绿色

那么它的含义在前面

如果大家理解了上一节课所讲的

数据帧的结构

会非常好理解

比如第六个比特SPE控制的是

SPI模块enable或者disable

就是总的开关是否启用SPI模块

第四个比特MSTR

控制的是我们这个接口

现在工作在master模式还是slave模式

比如说我们跟一个SPI接口的

温度传感器进行通讯的时候

温度传感器是Slave

那我们就应该设置

我们单片机的SPI接口

工作在master模式 对吧

如果是两个单片机互相通讯

用SPI接口的时候呢

我们是不是就应该一个外设是master

一个外设是Slave来实现通讯

然后然后接下来的三个比特

都是在我们第一个单元里

给大家讲的数据帧的结构里用到的

第三个比特CPL控制的是时钟的极性

那么第二个比特CPHA呢

控制的是我们在第一个单元讲的

那两种相位模式使用哪一种

然后最后一个比特第0个比特

LSBFE控制的是

我们每一笔通讯比如八个比特

是先发LSB还是先发MSB

所以大家就会意识到我刚才讲过

这三个比特的控制两两组合

一共八组状况

都是符合SPI通讯的协议标准的

那么就要根据我们所要通讯的外设对象

和我们通讯双方的约定

来决定我们程序该怎么配置它

怎么写

配置对了这个通讯才能持续正确的完成

否则就可能通不上

或者接收不到数据

然后第二个控制寄存器

在我们这门课的实验范畴里

并没有我们用到的比特

在这里大家看一看就略过去了

然后我们接下来还要讲的

倒数第二个寄存器

就是我们SPI通讯的波特率寄存器

波特率寄存器一共8个比特

第四个比特和上面三个比特

除掉一个不用的以外分成了两段

也就三比特和四比特

这两段的数符合一个计算公式

这个计算公式就是波特率

是我们这样一个模块的输入时钟

大家想一想

就是SPI0 SPI1

分别是20.97兆或者20.97兆的一半

来除一个分频因子

分频因子的计算式

是我们的SPPR这一段加1乘以2的

SPR加一次幂来算出它的分频因子

所以大家可以算一算

我们这两段组合

最大和最小分别是多少分频

或者我给大家一个小的思考题说

20.97兆的总线时钟

在我们这个寄存器的设置里

最大SPI的速率是多少

最小SPI的速率是多少

那么有的同学说

那这个设置的范围这么大

我设成多少合适呢

比如UART老师说9600就合适

我们做SPI做多少合适呢

根据我们编程的对象

比如说你读一个温度传感器

你读一个加速度传感器

你读一个对象

它的手册里会告诉你

它的SPI接口

建议你在不快于多少的速度

或者在多少速度范围内与它通讯

那么我们就应该编程设置波特率

让我们在对应的时钟上与它进行通讯

最后一个也是最复杂的一个寄存器呢

就是我们SPI的状态寄存器

状态寄存器里最核心的是两个比特

一个是SPTEF比特

一个是SPRF比特

跟UART非常非常像

这两个比特虽然都名字上有Interrupt flag

中断标志位的含义

意味着在启用了中断的时候

它们置位会导致SPI模块

产生一个通讯中断

我们在这里没有展开讲

但是我们在普通编程的时候

我们可以把它当做标志位

每发起和结束一次通讯

应该把它当做标志位

来检查它确认什么呢

确认比特5 SPTEF

就是SPI的发送寄存器是否为空

以及比特7的SPRF

也就SPI的接收寄存器是否收到了数据

是不是跟UART很像啊

我们应该分别检测这两个比特

是否置1来编写我们的C语言函数

特别需要注意的是

在我们芯片手册里写了

每当一笔通讯完成的时候

我们第6个比特

也就SPTF会置1

来表示上一次通讯已经成功发送结束

所以每当我们进行一次

对于SPI的数据寄存器写操作

来发起一次新的通讯的时候

必须确保这一个比特的当前状态是0

而如果我们在做一次数据写操作之前

没有读一下这个比特

使它的标志位清零的话

我们写进去数据会被SPR模块忽略

无法产生一次新的通讯

大家一定注意这一点

也就是做任何对SPI数据寄存器的写操作

发起一次新的通讯之前

一定要读一下这个状态寄存器

使这个标志位清零

这样在这一次通讯成功发送完以后

它才能把这一位由零置1标志产生

否则你写的数据就会被忽略

这个通讯就不会被发起

也就是很多同学调试程序

看到的SPI并没有实际的完成通讯

不知道卡在哪儿了

可能在这儿

那么最高位接收寄存器

收到了数据也是一样的道理

每当接收寄存器置位

我们应该及时把数据寄存器的值读走

芯片手册告诉我们如果数据寄存器

收到一个值 这个位置位

我们没有读

这时又来一次新的通讯会怎么办呢

新收到的数据 注意

新收到的数据会被忽略

寄存器里仍然保留上一次收到的数据

这就是芯片手册告诉我们注意事项

所以大家编写函数的时候要加以注意

所以呢

我们讲了讲会发现SPI模块

名义上有六个寄存器

但实际上要把它用起来只需要用四个

控制 状态 数据和波特率

那么我有两个问题来了

第一个问题

如果扔掉曾老师这个拐杖

大家自己写一个SPI0Init函数 你会写吗

把刚才的时钟打开

IO配置给SPI用

SPI的寄存器完成那些初始化

设置好相位 通讯模式 波特率

写进去 对吧

第二个问题是个嵌套的问题

SPI的通讯接口

我们应该以什么样的函数形式来封装呢

有很多同学问我函数封装 对吧

除了初始化

这样一个模块应该怎么封装

像UART一样

封装成一个Put char和Get char两个函数吗

这个时候大家要把C语言

和我们功能关联起来

C语言的函数就是function

function是功能

所以函数一定是紧密描写功能的

SPI的通讯功能的特点是什么

它在时钟的驱动下

主机发送一个字节的同时

从机返回一个字节

所以我们对它的函数的一个正确的封装

应该是一个SPI write and read的读写

同时完成的函数

它带一个字节unsigned char类型的参数

作为要发送的字节

同时有一个unsigned char类型的返回值

返回接收到的值

大家想想是不是这么回事

那么问题来了

这个函数大家应该怎么写呢

应该按我们刚才反复讲的

特别详细的状态寄存器

查哪些标志位

查完了才能写数据寄存器

写完了我是不是还应该查什么

然后再读数据寄存器呢

请大家自己把它编程给写出来吧

在下一个单元

我教大家把这些函数用起来

去点我们的点阵式显示屏