HALF DUPLEX SPI

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SPI简介

SPI 的物理线支持 三种类型：

  • 片选线（NCS / CS / SS），某些数据手册会将 片选引脚 称为 NSS /NCS / SEL (Select) / CS (Chip Select) / STE (Slaver Transmit Enable)。
  • 时钟线（CLK / SCK）
  • 数据线（DA 或 MOSI 和 MISO ）（此处的 DA 特指单根支持半双工的数据线）。

需要注意的是，SPI的通信线有太多的名称，需要自行对照芯片手册进行查询，避免混淆。

SPI 通过对硬件资源的使用修改（禁用片选、禁 / 复用数据线）可以达到 全双工 或 半双工 通信的目的。标准SPI为 四线SPI （CS / CLK / MOSI / MISO）；最低支持2根数据引脚（仅保留 CLK / DA，其中DA为分时复用数据线 ）来达到半双工通信的目的，可以增加一 / 多根 CS 来达到拓展SPI从设备片选的目的；也可以利用四根独立的半双工数据线，来达到 标准四线SPI 四倍通信能力 的 六线SPI（一般被称为 Quad-IO SPI）。

SPI分类

SPI通信按GPIO 数量可以分类为 2~6线 SPI，包含单工、半双工、全双工三总。

按GPIO数量分类 通信制式 通信线
两线SPI 单工/半双工 CLK / DA 或 CLK / MOSI 或 CLK / MISO
三线SPI 单工/半双工/全双工 CS / CLK / DA 或 CLK / MOSI / MISO
四线SPI 全双工 CS / CLK / MOSI / MISO
六线SPI 全双工 CS / CLK / DA1 / DA2 / DA3 / DA4

例如，据STM32L476RG芯片手册《RM0351》第1450页所示，SPI外设可以被配置为以下三种模式，即 三线全双工，两线半双工 和 两线单工。

  • Full-duplex synchronous transfers on three lines
  • Half-duplex synchronous transfer on two lines (with bidirectional data line)
  • Simplex synchronous transfers on two lines (with unidirectional data line)

HALF DUPLEX SPI

半双工通信可以是 两线SPI 或 三线SPI，后面着重说明两者异同。

PIN DEFINITION

NCS： SPI控制读写使能信号；使用时需要被拉低，否则SDIO会处在 HIGH-Z 态，而SCLK信号也会被无视。也可以被用于在通信错误发生时重置SPI 通信。两线SPI不需要这根线，但个别芯片可能需要这个引脚接地（不能悬空），具体看芯片手册。

SDIO： SPI的数据读写端口；半双工读写。只有在“从被控设备读出数据”的情况下，SDIO 才会由被控制设备控制。

SCLK： SPI接口时钟；总是由主控制器生成和控制。

TRANSMISSION PROTOCOL

跟其他通信类似，SPI 的 SDIO 需要在 时钟低电平时 进行电平跳变。

半双工SPI读写操作都包含两个字（byte），第一个字包含1 bit的 数据方向（或称 控制位） 和 7 bit的 地址，第二个字包含 数据。

关于数据方向/控制位

通常定义是，当需要写入数据时，控制位写 1 。当需要读出数据时，控制位写 0 。

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但不一定所有支持半双工SPI的通信控制位都是在MSB，有可能是在 LSB 。

如，下方右侧 SL8541E 的安卓平台主控，支持半双工SPI，但是其控制位就在地址字符的LSB上。

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写操作

主控制器在SCLK下降沿时改变 SDIO的电平，被控设备在SCLK上升沿时读取SDIO的电平。

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读取操作

SDIO会在SCLK下降沿时修改，主控制器需要在SCLK的上升沿时读取SDIO的电平信息。

注意：发送完地址字 之后需要延长半个周期的时钟低电平。

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DEBUG RECORDS

下面这个时序图错误的坑是真的大，调了好就才折腾明白，这不能是 Hi-Z 态。

时序图错误

内部调试时发现，SDIO在读取数据前后必须是 输出模式，最好 强制拉高，而不是 Hi-Z 态。

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读写单个字符

以下这两个函数中的 for() 使用了 MSB 发送数据，最好不要自作聪明将 i 的数据类型改为 uint8_t 或其他非负型数据，以下这种循环写法会让程序陷入死循环的。

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static void write_byte(uint8_t data)
{
    for(int i = 7; i>= 0; i--)
    {
        if( (data >> i) & 0x01)
        {
            write_high_level();
        }
        else
        {
            write_low_level();
        }
    }
}

static uint8_t read_byte(void)
{
    uint8_t data = 0;
    for(int i = 7; i>= 0; i--)
    {
        SCLK_SET_LOW;
        delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);

        SCLK_SET_HIGH;
        delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);

        data |= HAL_GPIO_ReadPin(SPI_DATA_GPIO_Port, SPI_DATA_Pin) << i;
    }

    return data;
}

SOURCE CODE

下方是适用于 STM32 平台的 GPIO-模拟 半双工SPI 代码，利用 空指令进行延时控制，实现半双工（三线/两线）SPI 的通信。

需要适配以下几个功能：

  1. 控制精细度在 \([10^{-9}s:10^{-6}s]\) 之间的 精准延时（如果做不到，通信速率就上不去 1MHz ）。
  2. 控制引脚电平的宏定义。
  3. 设置数据接口输出 和 设置数据接口输入 的代码。
  4. 拉高电平 和 拉低电平 的代码。
  5. 对照着 正确的时序图 撸一遍 读单字符 和 写单字符 的代码。
  6. 对照着 正确的时序图 撸一遍 写寄存器 和 读寄存器 的代码。

注意：都是按顺序来完成的，所有后面的功能都需要依托于前面的功能来实现。而且，需要用示波器（有条件）进行测量以校准通信速率，并使用正确的时序图进行编码（如果是错误的，浪费时间，尽快跟厂家确认）。

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 /*-----------------------------------------------------------------------------
 * HEARDER FILES
 *---------------------------------------------------------------------------*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>

#include "spi_access.h"
#include "stm32l4xx_hal.h"
#include "log.h"
#include "main.h"

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * MACRO DEFINITIONS
 *---------------------------------------------------------------------------*/
// 通信引脚定义
#define SPI_DATA_Pin GPIO_PIN_5
#define SPI_DATA_GPIO_Port GPIOC

#define SPI_CLK_Pin GPIO_PIN_6
#define SPI_CLK_GPIO_Port GPIOC

#define SPI_CS_Pin GPIO_PIN_8
#define SPI_CS_GPIO_Port GPIOC

// 定义电平
#ifndef HIGH_LEVEL
#define HIGH_LEVEL GPIO_PIN_SET
#endif

#ifndef LOW_LEVEL
#define LOW_LEVEL GPIO_PIN_RESET
#endif

// 定义引脚电平控制
#define SDIO_SET_HIGH {HAL_GPIO_WritePin(SPI_DATA_GPIO_Port,SPI_DATA_Pin,HIGH_LEVEL);}
#define SDIO_SET_LOW  {HAL_GPIO_WritePin(SPI_DATA_GPIO_Port,SPI_DATA_Pin,LOW_LEVEL);}

#define SDIO_SET_IN   {HAL_GPIO_ReadPin(SPI_DATA_GPIO_Port, SPI_DATA_Pin);}

#define SCLK_SET_HIGH {HAL_GPIO_WritePin(SPI_CLK_GPIO_Port, SPI_CLK_Pin, HIGH_LEVEL);}
#define SCLK_SET_LOW  {HAL_GPIO_WritePin(SPI_CLK_GPIO_Port, SPI_CLK_Pin, LOW_LEVEL);}

#define SNCS_SET_HIGH {HAL_GPIO_WritePin(SPI_CS_GPIO_Port, SPI_CS_Pin, HIGH_LEVEL);}
#define SNCS_SET_LOW  {HAL_GPIO_WritePin(SPI_CS_GPIO_Port, SPI_CS_Pin, LOW_LEVEL);}

// 电平延时
#define LEVEL_DELAY_SLICES 80

// 寄存器（最大）尝试写入次数
#define MAX_WRITE_TIMES 10

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * DATA TYPE DECLARATION
 *---------------------------------------------------------------------------*/
// spi句柄
typedef struct
{
    int handle;
} spi_dev;

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * GLOBAL PARAMETERS
 *---------------------------------------------------------------------------*/
static bool two_wired_spi;  // 两线SPI使能开关

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * PRIVATE FUNCTIONS DEFINITION
 *---------------------------------------------------------------------------*/
/**
 * @brief delay for a slice of cpu
 * @param {volatile uint32_t} times
 * @return {*}
 */
static void delay_nop(volatile uint32_t times)
{
    for(uint32_t i = 0; i < times; i++)
    {
        __NOP();
    }
}

/**
 * @brief delay for 1us
 * @param {volatile uint32_t} times
 * @return {*}
 */
static void delay_us(volatile uint32_t times)
{
    for(uint32_t i = 0; i < times; i++)
    {
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
        __NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();__NOP();
    }
}

static void delay_ms(uint16_t times)
{
    for(uint16_t i = 0; i < times; i++)
    {
        delay_us(1000);
    }
}

static void sdio_input_mode(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    GPIO_InitStruct.Pin = SPI_DATA_Pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    HAL_GPIO_Init(SPI_DATA_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
}

static void sdio_output_mode(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    GPIO_InitStruct.Pin = SPI_DATA_Pin ;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(SPI_DATA_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
}

static void write_high_level(void)
{
    SCLK_SET_LOW;
    SDIO_SET_HIGH;
    delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
    SCLK_SET_HIGH;
    delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
}

static void write_low_level(void)
{
    SCLK_SET_LOW;
    SDIO_SET_LOW;
    delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
    SCLK_SET_HIGH;
    delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
}

static void write_byte(uint8_t data)
{
    for(int i = 7; i>= 0; i--)
    {
        if( (data >> i) & 0x01)
        {
            write_high_level();
        }
        else
        {
            write_low_level();
        }
    }
}

static uint8_t read_byte(void)
{
    uint8_t data = 0;
    for(int i = 7; i>= 0; i--)
    {
        SCLK_SET_LOW;
        data |= HAL_GPIO_ReadPin(SPI_DATA_GPIO_Port, SPI_DATA_Pin) << i;
        delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);

        SCLK_SET_HIGH;
        delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
    }

    return data;
}

/*-----------------------------------------------------------------------------
 * PUBLIC FUNCTIONS DEFINITION
 *---------------------------------------------------------------------------*/
void *write_sensor_init(bool switch_two_wired_spi)
{
    if(switch_two_wired_spi) 
    {
        two_wired_spi = true;
    }
    else 
    {
        two_wired_spi = false;
    }

    spi_dev *instance = NULL;
    instance = malloc(sizeof(spi_dev));
    memset(instance, 0, sizeof(spi_dev));

    if(two_wired_spi)
    {
        SNCS_SET_LOW;
        SCLK_SET_HIGH;
        delay_ms(5);
        SCLK_SET_LOW;
        delay_ms(1);
        SCLK_SET_HIGH;
        delay_ms(5);
    }
    else
    {
        sdio_input_mode();
        SCLK_SET_HIGH;
        delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
        SCLK_SET_LOW;
        delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
        SCLK_SET_HIGH;
        delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
    }

    instance->handle = 1;
    return (void *)instance;
}

void write_sensor_deinit(void* handle)
{
    if (handle != NULL)
    {
        free(handle);
    }
    else
    {
        LOGE("ERROR: NULL spi handle.");
    }
}


void spi_resynchronized()
{
    if (two_wired_spi)
    {
        SCLK_SET_HIGH;
        SDIO_SET_HIGH;
        delay_ms(2);
        SCLK_SET_LOW;
        delay_us(1);
        SCLK_SET_HIGH;
        delay_ms(2);
        SDIO_SET_IN;
        delay_ms(1);
    }
    else
    {
        // 暂时未完成
        return;
    }
}

int write_register(uint8_t regAddr, uint8_t regData)
{
    regAddr |= 0x80;

    for(uint8_t write_times = 0; write_times < MAX_WRITE_TIMES; write_times++)
    {
        sdio_output_mode();  // 设置SDIO为输出模式
        SDIO_SET_HIGH;       // 拉高SDIO电平
        SCLK_SET_HIGH;       // 拉高SCLK电平
        delay_us(1);         // 2-wired spi

        if(!two_wired_spi)
        {
            SNCS_SET_LOW;    // 拉低SNCS电平
        }
        delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);

        write_byte(regAddr);
        write_byte(regData);

        if(!two_wired_spi)
        {
            SNCS_SET_HIGH;
            sdio_input_mode();
            delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
        }
        else
        {
            delay_us(500);
        }

        if(read_register(regAddr) == regData) return 0;
    }

    LOGE("ERROR: Write register failed.");
    return -1;
}

uint8_t read_register(uint8_t regAddr)
{
    uint8_t data = 0;
    regAddr &= 0x7F;     // 设置为读取模式

    sdio_output_mode();  // 设置SDIO为输出模式
    if(two_wired_spi) delay_us(10);
    SDIO_SET_HIGH;       // 拉高SDIO电平
    SCLK_SET_HIGH;       // 拉高SCLK电平
    if(two_wired_spi) delay_us(100);

    if(!two_wired_spi)
    {
        SNCS_SET_LOW;    // 拉低SNCS电平
    }
    delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);

    write_byte(regAddr);

    SCLK_SET_LOW;
    sdio_input_mode();
    if(two_wired_spi) delay_us(5);
    else delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);

    data = read_byte();

    SCLK_SET_HIGH;
    sdio_output_mode();
    delay_nop(LEVEL_DELAY_SLICES);
    if(two_wired_spi) delay_us(40);
    else SNCS_SET_HIGH;

    return data;
}

REFERENCE

  1. [【硬件通信协议】5. 实例解析非标准SPI(三线SPI)_sishuihuahua的博客-CSDN博客_三线spi](https://blog.csdn.net/sishuihuahua/article/details/105047926)