11.1實驗內(nèi)容

通過本實驗主要學習以下內(nèi)容：

• SPI簡介

• GD32H7 SPI簡介

• SPI NOR FLASH——GD25Q128ESIGR簡介

• 使用GD32H7 SPI接口實現(xiàn)對GD25Q128ESIGR的讀寫操作

11.2實驗原理

11.2.1SPI簡介

SPI（Serial Peripheral interface），顧名思義是串行外設接口，和UART不同的是，SPI是同步通訊接口，所以帶有時鐘線，而UART是異步通訊接口，不需要時鐘線。

SPI通常使用4根線，分別為SCK、MOSI、MISO、NSS（CS）：

• SCK：串列時脈，由主機發(fā)出

• MOSI：主機輸出從機輸入信號（數(shù)據(jù)由主機發(fā)出）

• MISO：主機輸入從機輸出信號（數(shù)據(jù)由從機發(fā)出）

• NSS：片選信號，由主機發(fā)出，一般是低電位有效

SPI默認為全雙工工作，在這種工作模式下，主機通過MOSI線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，也在MISO線上接受數(shù)據(jù)，簡單來說就是主機和從機之間進行數(shù)據(jù)交換。

SPI是一個可以實現(xiàn)一主多從的通訊接口，從機的片選由主機NSS腳來控制：

每個通訊時刻，只有一個從機NSS被主機選中，選中方式為主機拉低響應的NSS（CS）腳。

SPI的數(shù)據(jù)線只有一條（雖然有MOSI和MISO，但實際上每個CLK主機都只能發(fā)送和接受一個bit），所以稱之為單線SPI。從SPI衍生出來的還有4線制SPI（QSPI）和8線制SPI（OSPI）以及其他多線制SPI，這個我們后面具體再聊。

11.2.2GD32H7 SPI簡介

GD32H7 的SPI主要特性如下：

?具有全雙工、 半雙工和單工模式的主從操作；

? 32位寬度，獨立的發(fā)送和接收FIFO；

? 4位到32位數(shù)據(jù)幀格式；

?低位在前或高位在前的數(shù)據(jù)位順序；

?軟件和硬件NSS管理，MOSI與MISO引腳復用功能的交換；

?硬件CRC計算、發(fā)送和校驗；

?發(fā)送和接收支持DMA模式；

?支持SPI TI模式；

?多主機多從機功能；

?配置和設置保護；

?可調(diào)的數(shù)據(jù)幀之間的最小延時和NSS與數(shù)據(jù)流之間的最小延時；

?主機模式錯誤可觸發(fā)中斷，上溢、 下溢和CRC錯誤檢測；

?可調(diào)的主設備接收器采樣時間；

?可配置的FIFO閾值（數(shù)據(jù)打包） ；

?在從機模式，下溢條件可配置；

?支持SPI四線功能的主機模式（只有SPI3 / 4）。

以下為GD32H7 SPI的框圖：

如果小伙伴用過GD的其他系列MCU的SPI的話，就會發(fā)現(xiàn)H7和其他系列再SPI上的一個很大的不同，比如聚沃發(fā)布的紫藤派開發(fā)板用到的GD32F470的SPI是通過一個發(fā)送緩沖區(qū)和一個接受緩沖區(qū)這兩個緩沖區(qū)來進行數(shù)據(jù)收發(fā)的，而H7產(chǎn)品則采用FIFO的模式進行數(shù)據(jù)收發(fā)管理，且發(fā)送FIFO（TXFIFO）對應TX位移寄存器，接受FIFO（RXFIFO）對應RX位移寄存器。當CPU或DMA將數(shù)據(jù)寫到TXFIFO中（需要先判斷TXFIFO是否有足夠的空間能夠?qū)懭霐?shù)據(jù)），TXFIFO中的數(shù)據(jù)將會被轉(zhuǎn)移到TX位移寄存器中，實現(xiàn)發(fā)送；反之，當RX位移寄存器收到數(shù)據(jù)，會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到RXFIFO中（需要保證RXFIFO有足夠的空間存入數(shù)據(jù)），RXFIFO會通知CPU或者DMA取走數(shù)據(jù)。

GD32H7的SPI TxFIFO和RxFIFO的大小都為16*32位，F(xiàn)IFO的存在使得當CPU或者DMA來不及處理SPI數(shù)據(jù)時，能夠防止發(fā)生數(shù)據(jù)過載或丟失。需要提醒的是，SPI正在發(fā)送的數(shù)據(jù)不一定是最新寫到TxFIFO中的數(shù)據(jù)，因為最新數(shù)據(jù)在TxFIFO的末尾；CPU或者DMA接收到的數(shù)據(jù)不一定就是SPI最新的數(shù)據(jù)，因為SPI最新的數(shù)據(jù)在RxFIFO的末尾。

全雙工模式下，當GD32H7 SPI主機TX位移寄存器被寫入數(shù)據(jù)時，TX位移寄存器通過MOSI信號線將字節(jié)傳送給從機，從機也將自己的位移寄存器內(nèi)容通過MISO信號線返回給主機的RX位移寄存器。外設的寫操作和讀操作是同步完成的。如果只進行寫操作，主機只需忽略接收到的字節(jié)；反之，若主機要讀取從機的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。

SPI數(shù)據(jù)bit在CLK的有效邊沿被鎖存，而有效邊沿是可以選擇的，分別為：

• 第一個上升沿

• 第一個下降沿

• 第二個下降沿

• 第二個上升沿

通過SPI_CFG1寄存器中的CKPL位和CKPH位來設置有效鎖存沿。其中CKPL位決定了空閑狀態(tài)時SCK的電平，CKPH位決定了第一個或第二個時鐘跳變沿為有效采樣邊沿。SPI_CFG1中的LF位可以配置數(shù)據(jù)順序， 當LF=1時，SPI先發(fā)送LSB位，當LF=0時，則先發(fā)送MSB位。SPI_CFG0中的DZ[4:0]位域配置數(shù)據(jù)長度， 可以設置數(shù)據(jù)長度為4位至32位。下圖為SPI的時序圖：

4線SPI（QSPI）的時序圖如下(CKPL=1, CKPH=1, LF=0) ，我們可以看到QSPI是通過MOSI、MISO、IO2、IO3來進行數(shù)據(jù)收或發(fā)，所以QSPI是工作在半雙工模式：

這里再介紹下SPI的NSS（片選）功能。NSS電平由主機來控制，主機將需要操作的從機NSS拉低，從而使該從機在總線上生效。

主機控制NSS的方式有兩種——硬件方式和軟件方式。主機硬件NSS模式下，NSS腳只能選擇特定IO口（具體見datasheet中IO口功能表），當開始進行數(shù)據(jù)讀寫時，NSS自動拉低，這種方式的優(yōu)點是主機NSS由硬件自動控制，缺點是只能控制一個從機；主機NSS軟件模式下，NSS可以使用任意IO口，需要控制哪個從機，軟件將對于IO拉低即可，這種方式的優(yōu)點是可以實現(xiàn)一個主機多個從機的通訊，缺點是軟件需要介入控制NSS腳。

從機獲取NSS狀態(tài)的方式也有兩種——硬件方式和軟件方式。從機硬件NSS模式下，SPI從NSS引腳獲取NSS電平， 在軟件NSS模式（NSSIM = 1） 下，SPI根據(jù)SNSSI位得到NSS電平。

SPI除了單線全雙工模式外，還有很多其他方式，比如可以實現(xiàn)只用MOSI進行數(shù)據(jù)收和發(fā)的半雙工通訊，這樣就可以省下MISO用作他處了，具體可以參考GD32FH7系列官方用戶手冊。

這里著重介紹下H7 SPI的數(shù)據(jù)長度和SPI_CFG0中的BYTEN（bit23）和WORDEN（bit24）。BYTEN和WORDEN用來指示對FIFO的訪問寬度：

建議SPI的數(shù)據(jù)長度設置（SPI_CFG0中的DZ[4:0]位域）和FIFO訪問寬度匹配，比如設置SPI數(shù)據(jù)長度為8，則需要配置FIFO訪問寬度為字節(jié)訪問，若配置FIFO訪問寬度為半字訪問，當發(fā)送一個8位數(shù)據(jù)時，總線上會產(chǎn)生16個clock，從而導致數(shù)據(jù)錯位。

下面介紹下SPI的發(fā)送和接受流程：

發(fā)送流程

在完成初始化過程之后， SPI模塊使能并保持在空閑狀態(tài)。在主機模式下， 當軟件寫一個數(shù)據(jù)到TxFIFO時，發(fā)送過程開始。在從機模式下，當SCK引腳上的SCK信號開始翻轉(zhuǎn)， 且NSS引腳電平有效， 發(fā)送過程開始。 所以， 在從機模式下，應用程序必須確保在數(shù)據(jù)發(fā)送開始前， 數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入TxFIFO中。

當SPI開始發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀時， 首先將這個數(shù)據(jù)幀從TxFIFO加載到移位寄存器中，然后開始發(fā)送加載的數(shù)據(jù)。

對SPI_TDATA的寫訪問由TP——TxFIFO數(shù)據(jù)包空間有效標志事件管理。

當TP標志設置為1時，應用程序?qū)PI數(shù)據(jù)寄存器寫入適當數(shù)量的數(shù)據(jù)，以傳輸數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。在上傳新的完整包后，應用程序檢查TP值，檢查TxFIFO是否可以接收額外的數(shù)據(jù)包，如果TP = 1，則逐包上傳，直到TP讀取0。
在主機模式下， 若想要實現(xiàn)連續(xù)發(fā)送功能， 那么在當前數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成前， 軟件應該將下一個數(shù)據(jù)寫入SPI_TDATA寄存器中。 只要TxFIFO中存在數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)發(fā)送便一直繼續(xù)， 直至TxFIFO變?yōu)榭铡?p>接收流程
在最后一個采樣時鐘邊沿之后， 接收到的數(shù)據(jù)將從移位寄存器存入到RxFIFO， 且RP——RxFIFO數(shù)據(jù)包空間有效標志 位置1。

軟件通過讀SPI_RDATA寄存器獲得接收的數(shù)據(jù)， 此操作會自動清除RP標志位（當RxFIFO數(shù)據(jù)量少于FIFOLVL標準）。 在全雙工主機模式（MFD）中， 僅當TxFIFO非空時，硬件才接收下一個數(shù)據(jù)幀。
對SPI_RDATA的讀訪問由RP事件管理。 當RP標志設置為1時，應用程序讀取SPI數(shù)據(jù)寄存器相當數(shù)量的數(shù)據(jù)，以下載單個數(shù)據(jù)包內(nèi)容。下載完整數(shù)據(jù)包后，應用程序會檢查RP值，查看RxFIFO中是否有其他數(shù)據(jù)包，如果有，則逐包下載，直到RP讀到0。
接收數(shù)據(jù)時， 主機提供時鐘信號， 當主機停止或掛起SPI時才會停止接收流程。主機通過將MSTART位置1來啟動流程， 可通過向SPI_CTL0寄存器的MSPDR為寫1來請求掛起，或者向MASP位寫1來設置上溢掛起。

11.2.3SPI FLASH——GD25Q128ESIGR簡介

GD25Q128ESIGR是一款容量為128Mbit（即16Mbyte）的SPI接口的NOR FLASH，其支持SPI和QSPI模式，芯片示意圖如下：

GD25Q128ESIGR管腳定義如下：

GD25Q128ESIGR內(nèi)部flash結構如下：

下面介紹GD25Q128ESIGR的一些功能碼。

Write Enable (WREN) (06H) ：接受到該命令后，GD25Q128ESIGR做好接受數(shù)據(jù)并進行存儲的準備，時序如下：

Read Status Register (RDSR) (05H or 35H or 15H) ：讀GD25Q128ESIGR的狀態(tài)，時序如下：

Read Data Bytes (READ) (03H) ：接受到該命令后，GD25Q128ESIGR將數(shù)據(jù)準備好供主機讀走，時序如下：

Dual Output Fast Read (3BH) ：使GD25Q128ESIGR切換到QSPI模式，時序如下：

Quad Output Fast Read (6BH) ：QSPI讀命令，時序如下：

Quad Page Program (32H) ：QSPI寫命令，時序如下：

Sector Erase (SE) (20H) ：Sector擦除命令，時序如下：

GD25Q128ESIGR就介紹到這里，讀者可以在兆易創(chuàng)新官網(wǎng)下載該NOR FLASH的datasheet以獲取更多信息。

11.3硬件設計

海棠派開發(fā)板SPI——NOR FLASH的硬件設計如下：

從圖中可以看出，本實驗使用的是普通單線SPI，GD25Q128ESIGR的片選由GD32H757的PF6控制，并采用主機NSS軟件模式，GD25Q128ESIGR的SO、SI和SCLK分別和GD32H757的PF8（SPI4_MISO）、PB9（SPI4_MOSI）以及PF7（SPI4_CLK）相連。

11.4代碼解析

11.4.1SPI初始化函數(shù)

在driver_spi.c文件中定義了SPI初始化函數(shù)driver_spi_init：

C void driver_spi_init(typdef_spi_struct *spix) { spi_parameter_struct spi_init_struct; rcu_periph_clock_enable(spix->rcu_spi_x); /* spi configure */ spi_i2s_deinit(spix->spi_x); spix->spi_sck_gpio->speed=GPIO_OSPEED_60MHZ; spix->spi_mosi_gpio->speed=GPIO_OSPEED_60MHZ; spix->spi_miso_gpio->speed=GPIO_OSPEED_60MHZ; driver_gpio_general_init(spix->spi_cs_gpio); driver_gpio_general_init(spix->spi_sck_gpio); driver_gpio_general_init(spix->spi_mosi_gpio); driver_gpio_general_init(spix->spi_miso_gpio); if(spix->spi_mode==MODE_DMA) { if(spix->spi_rx_dma!=NULL) { if(spix->frame_size==SPI_DATASIZE_8BIT){ driver_dma_com_init(spix->spi_rx_dma,(uint32_t)&SPI_RDATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_8BIT,DMA_PERIPH_TO_MEMORY); } else if(spix->frame_size==SPI_DATASIZE_16BIT){ driver_dma_com_init(spix->spi_rx_dma,(uint32_t)&SPI_RDATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_16BIT,DMA_PERIPH_TO_MEMORY); } else if(spix->frame_size==SPI_DATASIZE_32BIT){ driver_dma_com_init(spix->spi_rx_dma,(uint32_t)&SPI_RDATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_32BIT,DMA_PERIPH_TO_MEMORY); } } if(spix->spi_tx_dma!=NULL) { if(spix->frame_size==SPI_DATASIZE_8BIT){ driver_dma_com_init(spix->spi_tx_dma,(uint32_t)&SPI_TDATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_8BIT,DMA_MEMORY_TO_PERIPH); } else if(spix->frame_size==SPI_DATASIZE_16BIT){ driver_dma_com_init(spix->spi_tx_dma,(uint32_t)&SPI_TDATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_16BIT,DMA_MEMORY_TO_PERIPH); } else if(spix->frame_size==SPI_DATASIZE_32BIT){ driver_dma_com_init(spix->spi_tx_dma,(uint32_t)&SPI_TDATA(spix->spi_x),NULL,DMA_Width_32BIT,DMA_MEMORY_TO_PERIPH); } } } if(spix->spi_cs_gpio!=NULL) { driver_gpio_pin_set(spix->spi_cs_gpio); } spi_struct_para_init(&spi_init_struct); /* SPI3 parameter config */ spi_init_struct.trans_mode = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX; spi_init_struct.device_mode = spix->device_mode; spi_init_struct.data_size = spix->frame_size; spi_init_struct.clock_polarity_phase = spix->clock_polarity_phase; if(spix->device_mode==SPI_MASTER){ spi_init_struct.nss = SPI_NSS_SOFT; }else{ spi_init_struct.nss = SPI_NSS_HARD; } spi_init_struct.prescale = spix->prescale; spi_init_struct.endian = spix->endian; spi_init(spix->spi_x, &spi_init_struct); /* enable SPI byte access */ spi_byte_access_enable(spix->spi_x); /* configure SPI current data number */ spi_current_data_num_config(spix->spi_x, 0); spi_nss_output_enable(spix->spi_x); /* enable SPI3 */ spi_enable(spix->spi_x); /* start SPI master transfer */ spi_master_transfer_start(spix->spi_x, SPI_TRANS_START); }

11.4.2SPI輪訓接受一個數(shù)函數(shù)

在driver_spi.c文件中定義了使用輪訓方式發(fā)送接受一個字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)driver_spi_master_transmit_receive_byte：

C uint8_t driver_spi_master_transmit_receive_byte(typdef_spi_struct *spix,uint8_t byte) { spi_i2s_flag_clear(spix->spi_x, SPI_STATC_TXURERRC|SPI_STATC_RXORERRC|SPI_STATC_CRCERRC|SPI_STATC_FERRC|SPI_STATC_CONFERRC); driver_spi_flag_wait_timeout(spix,SPI_FLAG_TP,SET); spi_i2s_data_transmit(spix->spi_x,byte); driver_spi_flag_wait_timeout(spix,SPI_FLAG_RP,SET); return spi_i2s_data_receive(spix->spi_x); }

上面函數(shù)中有帶超時功能的等待SPI狀態(tài)的函數(shù)driver_spi_flag_wait_timeout，該函數(shù)定義在driver_spi.c：

C Drv_Err driver_spi_flag_wait_timeout(typdef_spi_struct *spix, uint32_t flag ,FlagStatus wait_state) { __IO uint64_t timeout = driver_tick; while(wait_state!=spi_i2s_flag_get(spix->spi_x, flag)){ if((timeout+SPI_TIMEOUT_MS) <= driver_tick) { return DRV_ERROR; } } return DRV_SUCCESS; }

11.4.3SPI NOR FLASH 接口bsp層函數(shù)

操作NOR FLASH的函數(shù)都定義在bsp層文件bsp_spi_nor.c中，這個文件中定義的函數(shù)都是針對NOR FLASH特性來實現(xiàn)的，我們選取幾個函數(shù)進行介紹。

1、NOR FLASH按sector擦除函數(shù)bsp_spi_nor_sector_erase，該函數(shù)流程是：使能NOR FLASH的寫功能->拉低片選->向NOR FLASH發(fā)送sector擦除指令SE（0x20）->從低地址到高地址發(fā)送需要擦除的地址->拉高片選->等待NOR FALSH內(nèi)部操作完成（循環(huán)去讀NOR FLASH狀態(tài)，直到讀出編程狀態(tài)為0）

C void bsp_spi_nor_sector_erase(uint32_t sector_addr) { /* send write enable instruction */ bsp_spi_nor_write_enable(); /* sector erase */ /* select the flash: chip select low */ bsp_spi_nor_cs_low(); /* send sector erase instruction */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,SE); /* send sector_addr high nibble address byte */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(sector_addr & 0xFF0000) >> 16); /* send sector_addr medium nibble address byte */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(sector_addr & 0xFF00) >> 8); /* send sector_addr low nibble address byte */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,sector_addr & 0xFF); /* deselect the flash: chip select high */ bsp_spi_nor_cs_high(); /* wait the end of flash writing */ bsp_spi_nor_wait_for_write_end(); }

2、按page寫數(shù)據(jù)函數(shù)bsp_spi_nor_page_write，該函數(shù)實現(xiàn)在page范圍內(nèi)寫數(shù)據(jù)，該函數(shù)流程是：使能NOR FLASH的寫功能->拉低片選->向NOR FLASH發(fā)送寫指令WRITE（0x02）->從低地址到高地址發(fā)送要寫的地址（每次進行寫數(shù)據(jù)時，只需要給初始地址即可，寫完一個數(shù)據(jù)后NOR FLASH內(nèi)部會自動把地址+1）->寫數(shù)據(jù)->拉高片選->等待NOR FALSH內(nèi)部操作完成（循環(huán)去讀NOR FLASH狀態(tài)，直到讀出編程狀態(tài)為0）

C void bsp_spi_nor_page_write(uint8_t* pbuffer, uint32_t write_addr, uint16_t num_byte_to_write) { /* enable the write access to the flash */ bsp_spi_nor_write_enable(); /* select the flash: chip select low */ bsp_spi_nor_cs_low(); /* send 'write to memory' instruction */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,WRITE); /* send write_addr high nibble address byte to write to */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(write_addr & 0xFF0000) >> 16); /* send write_addr medium nibble address byte to write to */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,(write_addr & 0xFF00) >> 8); /* send write_addr low nibble address byte to write to */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,write_addr & 0xFF); /* while there is data to be written on the flash */ while(num_byte_to_write--){ /* send the current byte */ driver_spi_master_transmit_receive_byte(&BOARD_SPI,*pbuffer); /* point on the next byte to be written */ pbuffer++; } /* deselect the flash: chip select high */ bsp_spi_nor_cs_high(); /* wait the end of flash writing */ bsp_spi_nor_wait_for_write_end(); }