周立功：深入浅出AMetal谈SPI总线和IIC 总线-电子发烧友网

第五章为深入浅出AMetal，本文内容为5.5 SPI 总线和5.6 I2C 总线。

5.5 SPI 总线

>>> 5.5.1 初始化

在使用SPI 通用接口前，必须先完成SPI 的初始化，以获取标准的SPI 实例句柄。LPC82x支持SPI 功能的外设有SPI0 和SPI1，为方便用户使用，AMetal 提供了与各外设对应的实例初始化函数，详见表5.10。

表5.10 SPI 实例初始化函数（am_lpc82x_inst_init.h）

这些函数的返回值均为am_spi_handle_t 类型的SPI 实例句柄，该句柄将作为SPI 通用接口中handle 参数的实参。类型am_spi_handle_t（am_spi.h）定义如下：

因为函数返回的SPI 实例句柄仅作为参数传递给SPI 通用接口，不需要对该句柄做其它任何操作，因此完全不需要了解该类型。注意，若函数返回的实例句柄的值为NULL，则表明初始化失败，不能使用该实例句柄。

如需使用SPI0，则直接调用SPI0 实例初始化函数，即可获取对应的实例句柄：

>>>5.5.2 接口函数

MCU 的SPI 主要用于主从机的通信，AMetal 提供了8 个接口函数，详见表5.11。

表5.11 SPI 标准接口函数

1．从机实例初始化

对于用户来说，使用SPI 往往是直接操作一个从机器件，MCU 作为SPI 主机，为了与从机器件通信，需要知道从机器件的相关信息，比如，SPI 模式、SPI 速率、数据位宽等。这就需要定义一个与从机器件对应的实例（从机实例），并使用相关信息完成对从机实例的初始化。其函数原型为：

p_dev 是指向SPI 从机实例描述符的指针，am_spi_device_t 在am_spi.h 文件中定义：

该类型用于定义从机实例，用户无需知道其定义的具体内容，只需要使用该类型定义一个从机实例。即：

mode 指定使用的模式，SPI 协议定义了4 种模式，详见表5.12。各种模式的主要区别在于空闲时钟极性（CPOL）和时钟相位选择（CPHA）的不同。CPOL 和CPHA 均有两种选择，因此两两组合可以构成4 种不同的模式，即模式0~3。当CPOL 为0 时，表示时钟空闲时，时钟线为低电平，反之，空闲时为高电平；当CPHA 为0 时，表示数据在第1 个时钟边沿采样，反之，则表示数据在第2 个时钟边沿采样。

表5.12 SPI 常用模式标志

cs_pin 和pfunc_cs 均与片选引脚相关。pfunc_cs 是指向自定义片选控制函数的指针，若pfunc_cs 的值为NULL，驱动将自动控制由cs_pin 指定的引脚实现片选控制；若pfunc_cs 的值不为NULL，指向了有效的自定义片选控制函数，则cs_pin 不再被使用，片选控制将完全由应用实现。当需要片选引脚有效时，驱动将自动调用pfunc_cs指向的函数，并传递state 的值为1。当需要片选引脚无效时，也会调用pfunc_cs 指向的函数，并传递state的值为0。一般情况下，片选引脚自动控制即可，即设置pfunc_cs 的值为NULL，cs_pin 为片选引脚，如PIO0_13。使用范例详见程序清单5.60。

程序清单5.60 am_spi_mkdev()范例程序

2．设置从机实例

设置SPI 从机实例时，会检查MCU 的SPI 主机是否支持从机实例的相关参数和模式。如果不能支持，则设置失败，说明该从机不能使用。其函数原型为：

其中的p_dev 是指向SPI 从机实例描述符的指针，如果返回AM_OK，说明设置成功；如果返回-AM_ENOTSUP，说明设置失败，不支持的位宽、模式等，详见程序清单5.61。

程序清单5.61 am_spi_setup()范例程序

3．传输初始化

在AMetal 中，将收发一次数据的过程抽象为一个“传输”的概念，要完成一次数据传输，首先就需要初始化一个传输结构体，指定该次数据传输的相关信息。其函数原型为：

其中，p_trans 为指向SPI 传输结构体的指针，am_spi_transfer_t 类型是在am_spi.h 中定义的。即：

在实际使用时，只需要定义一个该类型的传输结构体即可。比如：

表5.13 传输特殊控制标志

因为SPI 是全双工通信协议，所以单次传输过程中同时包含了数据的发送和接收。函数的参数中，p_txbuf 指定了发送数据的缓冲区，p_rxbuf 指定了接收数据的缓冲区，nbytes 指定了传输的字节数。特别地，有时候可能只希望单向传输数据，若只发送数据，则可以设置p_rxbuf 为NULL；若只接收数据，则可以设置p_txbuf 为NULL。

当传输正常进行时，片选会置为有效状态，cs_change 的值将影响片选何时被置为无效状态。若cs_change 的值为0，表明不影响片选，此时，仅当该次传输是消息（多次传输组成一个消息，消息的概念后文会介绍）的最后一次传输时，片选才会被置为无效状态。若cs_change 的值为1，表明影响片选，此时，若该次传输不是消息的最后一次传输，则在本次传输结束后会立即将片选设置为无效状态，若该次传输是消息的最后一次传输，则不会立即设置片选无效，而是保持有效直到下一个消息的第一次传输开始，详见程序清单5.62。

程序清单5.62 am_spi_mktrans()范例程序

4．消息初始化

一般来说，与实际的SPI 器件通信时，往往采用的是“命令”+“数据”的格式，这就需要两次传输：一次传输命令，一次传输数据。为此，AMetal 提出了“消息”的概念，一个消息的处理即为一次有实际意义的SPI 通信，其间可能包含一次或多次传输。

一次消息处理中可能包含很多次的传输，耗时可能较长，为避免阻塞，消息的处理采用异步方式。这就要求指定一个完成回调函数，当消息处理完毕时，自动调用回调函数以通知用户消息处理完毕。回调函数的指定在初始化函数中完成，初始化函数的原型为：

其中的p_msg 为指向SPI 消息结构体的指针，am_spi_message_t 类型是在am_spi.h 中定义的。即：

实际使用时，仅需使用该类型定义一个消息结构体。即：

pfn_callback 指向的是消息处理完成回调函数，当消息处理完毕时，将调用指针指向的函数。其类型am_pfnvoid_t 在am_types.h 中定义的。即：

由此可见，函数指针指向的是参数为void *类型的无返回值函数。驱动调用回调函数时，传递给该回调函数的void*类型的参数即为p_arg 的设定值，详见程序清单5.63。

程序清单5.63 am_spi_msg_init()范例程序

5．在消息中添加传输

一次消息处理中包含单次或多次的传输，在消息处理前，需要将消息和相关的传输关联起来。该函数用于添加一个传输至消息中，其函数原型为：

其中，p_msg 指向am_spi_msg_init()初始化的消息，p_trans 指向am_spi_mktrans()初始化的传输。可以多次使用该函数以便向一个消息中添加多个传输，由于每次都将传输添加在消息的尾部，因此先添加的传输先处理，后添加的传输后处理，详见程序清单5.64。

程序清单5.64 am_spi_trans_add_tail()范例程序

6．启动SPI 消息处理

该函数用于启动消息的处理，其函数原型为：

其中，p_dev 为指向SPI 从机实例描述符的指针，用于指定本次消息处理中收发数据的从机对象；p_msg 为指向本次需要处理的SPI 消息结构体的指针。如果返回AM_OK，说明启动成功，当消息中所有的传输依次处理完毕时，将调用初始化消息时指定的处理完毕回调函数；如果返回-AM_EINVAL，说明因参数错误启动失败，详见程序清单5.65。

程序清单5.65 am_spi_msg_start ()范例程序

在这里，定义了一个初始值为0 的变量complete_flag，在初始化消息时，将它的地址作为回调函数的参数，因此在回调函数中，p_arg 就是指向complete_flag 的指针，可以通过该指针将complete_flag 的值修改为1，如果检测complete_flag 的值为1，表明消息处理完成。

7．先写后读

SPI 传输和SPI 消息实现数据的发送和接收使得SPI 的使用非常灵活，可以支持丰富的SPI 从机器件。但正因为其灵活性，使得接口较多，使用起来较为繁琐。对于绝大部分SPI从机器件，并不需要如此灵活，只需要实现简单的数据发送和接收就可以了，基于此，AMetal提供了两种十分常用的情形：写入一段数据后读取一段数据（先写后读）；写入一段数据后再写入一段数据（连续两次写）。

先写后读即是主机先发送数据至从机（写），再自从机接收数据（读）。注意，该函数会等待数据传输完成后才会返回，因此该函数是阻塞式的，不应在中断环境中调用。其函数原型为：

如果返回AM_OK，说明数据写和读成功完成；如果返回-AM_EINVAL，说明由于参数错误导致数据写和读失败；如果返回-AM_EIO，说明在数据写或读的过程中发生错误，详见程序清单5.66。

程序清单5.66 am_spi_write_then_read()范例程序

8．连续两次写

连续两次写即是主机先发送缓冲区0 的数据至从机（写），再发送缓冲区1 的数据至从机（写）。如果只需要发送一次数据，可以将第二次发送的数据缓冲区设置为NULL，并设置发送长度n_tx1 为0。值得注意的是，该函数同样是阻塞式的，会等待两次数据发送完成后才会返回，不应在中断环境中调用。其函数原型为：

如果返回AM_OK，说明消息处理成功；如果返回-AM_EINVAL，说明参数错误导致数据发送失败；如果返回-AM_EIO，说明在发送数据的过程中发生错误，详见程序清单5.67。

程序清单5.67 am_spi_write_then_write()范例程序

>>> 5.5.3 SPI 扩展接口

LPC824 与74HC595 的硬件连接详见表5.14，当74HC595 作为SPI 从机时，数据仅需从MCU主机传送至SPI 从机，无需读取数据。对于MCU主机，数据是单向传输，只有数据输出而没有输入，因此无需使用MISO。显然，扩充74HC595仅占用MCU 的SCK、MOSI 与SSEL 引脚，即可实现8 位数据的输出。

表5.14 74HC595 硬件连接

在使用SPI 驱动74HC595 时，必须先调用am_spi_mkdev()初始化与74HC595 对应的SPI从机实例。为此需要获取到数据宽度、SPI 模式、最高时钟频率和片选引脚等信息。即：

数据宽度：74HC595 只有8 个并行输出口，因此每次传输的数据宽度为8 位。
SPI 模式：8 位数据是在CP 时钟信号上升沿作用下依次送入74HC595 的，因此在空闲时对时钟没有要求。如果选择空闲时钟极性为低电平（CPOL=0），则必须在第一个时钟边沿（上升沿）采样数据（CPHA=0），即模式0。反之，如果选择空闲时钟极性为高电平(CPOL=1)，则必须在第二个时钟边沿（上升沿）采样数据（CPHA=1），即模式3。因此选择模式0 和模式3 均可，后续的程序选择模式3 作为范例。
最高时钟频率：虽然74HC595 最高时钟频率高达100MHz，但MCU 最高主频只有30MHz，因此最高时钟频率设置为一个相对合理的范围，比如，3000000Hz（3MHz）。
片选引脚：片选引脚为PIO0_13。

有了这些信息，即可配置与74HC595 对应的SPI 从机实例，详见程序清单5.68。

程序清单5.68 初始化与74HC595 对应的从机实例范例程序

接下来，可以使用消息的方式或者am_spi_write_then_write()和am_spi_write_then_read()进行数据的发送与接收。由于使用消息的方式进行数据发送时参数较多，因此暂不使用消息的方式。因为MCU 不需要从74HC595 中读取数据，所以直接使用am_spi_write_then_write()进行数据发送，详见程序清单5.69。

程序清单5.69 驱动74HC595 输出的范例程序

为了方便后续使用，不妨封装74HC595 的驱动程序，这样就可以将74HC595 当作8 位I/O 口扩展接口来使用了。显然，需要为74HC595 编写初始化接口和数据输出接口，其分别用于初始化与74HC595 对应的SPI 从机实例和用于输出指定的8 位数，函数的声明和实现详见程序清单5.70 所示的hc595.h 和程序清单5.71 所示的hc595.c。

程序清单5.70 hc595.h 接口文件

程序清单5.71 hc595.c 实现文件

基于74HC595 的数据发送函数，可以实现使用74HC595 驱动数码管显示，以节省引脚。同I/O 驱动数码管一致，使用软件定时器实现数码管的自动扫描，详见程序清单5.72。

程序清单5.72 新增使用软件定时器相关函数

同样地，将新的代码添加到digitron1.c 中，其相应的函数接口添加到程序清单4.47 所示的digitron1.h 中，详见程序清单5.73。

程序清单5.73 digitron1.h 文件内容

显然，程序与之前的代码基本相同，仅仅是回调函数调用的扫描函数变化了，测试程序详见程序清单5.74。

程序清单5.74 测试软件定时器自动扫描

由于回调函数运行在中断环境，而am_spi_write_then_write()要等到数据发送完毕后才会返回，因此是阻塞式的，所以调用该函数实现的hc595_send_data()不能在中断环境中使用。为了实现非阻塞式的（异步）数据发送函数，可以使用SPI 消息的方式实现发送数据。为了区分与之前的hc595_send_data()，将其命名为hc595_send_data_async()，详见程序清单5.75。

程序清单5.75 hc595_send_data_async()函数范例

在发送数据时，要先将数据data 保存g_tx_buf 中。因为使用SPI 消息的方式发送数据时，函数是异步的，会立即返回，函数返回后，因data 是局部变量，其地址空间就被释放了。驱动获取需要发送的数据时，是在缓冲区表明的地址中取数据，因此必须保证缓冲区在整个数据传输过程中都是有效的。这里使用了一个全局变量来保存数据，使得缓冲区一直有效。为什么使用am_spi_write_then_write()函数不需要这样做呢？因为这个函数是同步的，会等到数据发送完毕后才返回，在整个数据传输过程中，data 的地址是有效的，不会被释放。

这样的异步传输函数可行吗？如果使用者以较长的时间间隔来调用该函数，每次调用前，上一个数据传输都已经正确完成，则可以正常进行数据发送，不会出现问题。但是如果时间间隔很短，比如，连续2 次调用了该函数分别发送两个数据，将导致上一个transfer 被覆盖，造成一种严重错误。可以类似SPI 消息一样增加一个回调函数，当数据发送完成后，调用回调函数通知用户数据发送完毕。由于消息本身就有这一特性，因此只需要直接将用户传递的回调函数作为SPI 消息初始化的回调函数参数即可，详见程序清单5.76。

程序清单5.76 修改hc595_send_data_async()函数

为了便于后续使用，则将该函数的声明存放到程序清单5.70 所示的hc595.h 中，详见程序清单5.77。

程序清单5.77 hc595.h 文件内容

实现该异步数据发送函数后，即可实现在中断环境中发送数据。显然，使用软件定时器实现数码管自动扫描需要修改digitron_hc595_disp_scan()，使其调用hc595_send_data_async()来实现扫描。不妨使用一个标志位，当标志位置1 时，说明传输完成，详见程序清单5.78。

程序清单5.78 修改digitron_hc595_disp_scan()函数（1）

程序使用g_flag 变量来标志消影段码是否传输结束，初看起来并没有什么问题，这是一种通用的编程方法。但的确犯了一个很严重的错误，由于该函数直接使用了阻塞式while()循环等待语句，虽然hc595_send_data_async()是异步的，但加上等待语句后，又将扫描函数

变成阻塞式的了，因此该扫描函数还是无法在中断环境中使用。

扫描一次数码管，首先需要传送消影段码（0xFF），接着确定相应的位选，然后传送显示段码，即会在极短的时间内调用2 次段码传送函数（消影段码和显示的段码）。显然，消影段码没有传送完毕不能传送显示段码，由于消影段码传送完毕后会调用回调函数，为何不将后续代码放到消影段码传送完成的回调函数中执行呢？详见程序清单5.79。

程序清单5.79 修改digitron_hc595_disp_scan()函数（2）

程序只是将之前的扫描函数分成了两部分，将消影段码后的内容放到了回调函数中实现，解决了等待消影段码传送完毕的问题。那么后续发送正常显示的段码，还需要等待其结束吗？其实在正常显示的段码传送完成后，并不需要再做其它操作，因此可以不用设置回调函数。如果不利用回调函数判断其是否传送完毕，那再次扫描时，是否会因上次消息处理还未完成

而产生错误呢？下次扫描是在5ms 之后，由于SPI 传输速率很快，3MHz 的速率传输8 位数据只需要几微秒，因此5ms 的时间足以使其传输完毕，因此能够确保正常显示的段码传送在下一次传输数据前成功完成。修改后的使用软件定时器实现自动扫描的函数，由于接口并没有改变，只是修改了实现，因此可以直接使用程序清单5.74 的范例程序来进行测试。

5.6 I2C 总线

绝大部分情况下，MCU 都作为I2C 主机与I2C 从机器件通信，因此这里仅介绍AMetal中与I2C 主机相关的接口函数。

>>> 5.6.1 初始化

在使用I2C 通用接口传输数据前，必须先完成I2C 的初始化，便于获取I2C 实例句柄。在LPC824 中，支持I2C 功能的外设有：I2C0、II2C1、I2C2 和I2C3，各I2C 外设都提供了对应的实例初始化函数，详见表5.15。

表5.15 I2C 实例初始化函数（am_lpc82x_inst_init.h）

这些函数返回值均为am_i2c_handle_t 类型的I2C 实例句柄，该句柄将作为I2C 通用接口中handle 参数的实参。类型am_i2c_handle_t（am_i2c.h）定义如下：

因为函数返回的I2C 实例句柄仅作为参数传递给I2C 通用接口，不需要对该句柄作其它任何操作，因此完全不需要对该类型作任何了解。注意，如果函数返回的实例句柄的值为NULL，表明初始化失败，该实例句柄不能被使用。

如果使用I2C0，则直接调用I2C0 实例初始化函，即可获取对应的实例句柄：

>>> 5.6.2 接口函数

在AMetal 中，MCU 作为I2C主机与I2C从机器件通信的相关接口函数详见表5.16。

表5.16 I2C标准接口函数

1．从机实例初始化

对于用户来讲，使用I2C的目的就是直接操作一个从机器件，比如，LM75、E2PROM等。MCU 作为I2C主机与从机器件通信，需要知道从机器件的相关信息，比如，I2C从机地址等。这就需要定义一个与从机器件对应的实例，即从机实例，并使用相关信息完成对从机实例的初始化。从机实例初始化函数的原型为：

其中，p_dev 为指向am_i2c_device_t 类型（am_i2c.h）I2C 从机实例的指针，该类型定义如下：

使用时无需知道该类型定义的具体内容，仅需使用该类型完成一个I2C 从机实例的定义：

其中，dev 为用户自定义的从机实例，其地址作为p_dev 的实参传递。dev_flags 为从机实例的相关属性标志，可分为3 大类：从机地址的位数、是否忽略无应答和器件内子地址（通常又称之为“寄存器地址”）的字节数。具体可用属性标志详见表5.17，可使用“|”操作连接多个属性标志。

表5.17 从机设备属性

使用范例详见程序清单5.80。

程序清单5.80 am_i2c_mkdev()范例程序

2．写操作

向I2C 从机实例指定的子地址中写入数据的函数原型为：

如果返回值为AM_OK，表明写入数据成功；如果返回值为其它值，表明写入数据失败。范例程序详见程序清单5.81。

程序清单5.81 am_i2c_write()使用范例

3．读操作

从I2C从机实例指定的子地址中读出数据的函数原型为：

如果返回值为AM_OK，表明读取数据成功；如果返回值为其它值，表明读取数据失败，其相应的范例程序详见程序清单5.82。

程序清单5.82 am_i2c_read()使用范例

>>> 5.6.3 I2C扩展接口

在使用am_i2c_read()函数前，需要先使用am_i2c_mkdev()初始化与LM75B 对应的I2C从机实例，便于LPC824 读取温度值。初始化从机实例时，还需要知道两个重要的信息：器件从机地址和实例属性。

LM75B 的从机地址为7 位，1001xxx，其中地址位0~2 分别与硬件连接的A0~A2 一一对应。由于A0~A2 均与地连接，因此xxx 的值均为0，LM75B 的从机地址为0x48。

实例属性可分为从机地址属性、应答属性和器件内子地址属性，LM75B 的从机地址为7 位，其对应的属性标志为AM_I2C_ADDR_7BIT。如果从机实例不能应答，则设置AM_I2C_IGNORE_NAK 标志。一般来说，标准的I2C从机实例可产生应答信号，除非特殊说明，否则都不需要该标志。

LM75B 共计有4 个寄存器，详见表5.18。由于寄存器的地址都为8 位，因此器件内子地址为一个字节，对应的属性标志为：AM_I2C_SUBADDR_1BYTE。由于只有一个字节，所以没有高字节与低字节之分，也就不需要AM_I2C_SUBADDR_MSB_FIRST 或AM_I2C_SUBADDR_LSB_FIRST 标志。

表5.18 寄存器功能

使用am_i2c_mkdev()初始化一个LM75 从机实例的示例代码详见程序清单5.83。

程序清单5.83 初始化一个与LM75 对应的I2C 从机实例

初始化从机实例后，即可使用am_i2c_read()读取温度值，由表5.18 可知，温度值存于地址为0x00 的寄存器中，包含了两个字节的温度值，且是只读的。因此，可以直接使用am_i2c_read()读取子地址为0x00 的两字节内容，即温度值，使用范例详见程序清单5.84。

程序清单5.84 读取温度值

读取的这两字节数据表示的温度值是多少呢？这两个字节具体表示的温度值的含义可从芯片的数据手册获取。温度是以双字节16 位二进制补码方式表示的，分别保存在字节0和字节1 中，首先读出的是字节0 的数据。字节0 中保存了温度的整数部分，字节1 中保存温度的小数部分，仅高3 位有效，因此温度的分辨率为1/23 = 0.125℃。

如果将字节0 和字节1 合并为一个16 位有符号整数的话，则这个16 位有符号整数便是实际温度的256（28）倍。如果系统支持浮点数，则使用以下公式即可获得当前温度值：

当前温度值（浮点数变量）= （字节0 的值×28 + 字节1 的值）/ 256.0

在没有硬件浮点运算单元的MCU 中，这样的公式在计算时效率是非常低的。在实际使用过程中，一般也并不需要得出浮点数的温度值，仅仅在使用时稍加处理即可。比如，对于数码管显示温度值，只需要分别显示温度值的整数部分（使用整数表示）和小数部分（使用整数表示）即可，并不需要计算出浮点数。LM75 的接口函数声明详见程序清单5.85。

程序清单5.85 LM75 接口（lm75.h）