在嵌入式系统中，主控MCU集成多种片上外设设计

在嵌入式系统中，主控MCU往往集成了多种片上外设，例如，GPIO、PWM、I²C、SPI、UART、ADC等等。通过它们可以使MCU轻松的与“外部世界”相互连接、相互通信，从而与“外部世界”交互。在AWorks中，对这些外设进行了抽象，为同一类外设提供了相同的使用接口。对于用户来讲，无论使用什么MCU，只要该MCU具有相应的外设，则均可以使用相同的外设接口进行操作，因而使用某一外设的应用程序可以轻松的跨平台（移到另外一个硬件平台）复用。同时，由于直接为用户提供了外设的使用接口，因此，用户不再需要了解底层的寄存器操作，由此可以将用户从阅读寄存器手册、编写底层驱动中解脱出来，使用户更加专注于产品本身的“核心域”，提升产品的竞争力。

7.1  GPIO

在使用一个I/O口前，必须正确的配置I/O的功能和模式。同时，由于一个I/O口往往可用于多种功能，但同一时刻只能用于某一确定的功能，为了避免冲突，在将一个引脚用作某一功能前，应该向系统申请，使用完毕后再释放。

当将I/O口用作GPIO（General Purpose Input Output）功能时，GPIO作为一种通用输入/输出接口，有两种常用的使用方式：一种是用作普通的输入/输出接口；一种是用作中断输入接口，即当指定的输入状态事件发生（比如：下降沿）时，触发用户自定义回调函数。

7.1.1  I/O配置

通常情况下，一个引脚往往可以用作多种功能，例如，在i.MX280中，PIO3_0可以用作下面4种功能：

• 应用串口0的接收引脚；

• I²C0的时钟引脚；

• 调试串口的CTS引脚；

• 通用GPIO。

同时，GPIO往往还具有多种模式，比如：上拉、下拉、开漏、推挽等。为了正确使用一个IO口，必须先将其配置为正确的功能和模式。AWorks提供了I/O配置接口，其原型为：

其中，pin为引脚编号，flags为配置的功能和模式标志，返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示配置成功，否则，表示配置失败，配置失败可能是由于部分功能和模式不支持造成的。

引脚编号pin用于指定需要配置的引脚，在GPIO标准接口层中，所有函数的第一个参数均为pin，用于指定具体操作的引脚，具体的引脚编号在{chip}_pin.h文件中定义（chip代表芯片名，例如，对于i.mx28x系列MCU，chip即为imx28x，对应文件名为imx28x_pin.h），宏名的格式为PIOx_y，比如：PIO3_0。

flags为配置标志，由“通用功能|通用模式|平台功能|平台模式”（‘|’就是C语言中的按位或）组成。

1.  通用功能和模式

通用功能和模式是AWorks抽象的GPIO最通用的功能和模式，它们在aw_gpio.h文件中使用宏的形式进行了定义，宏名格式为AW_GPIO_*。通用功能相关宏定义与含义详见表7.1，通用模式相关宏定义与含义详见表7.2。

表7.1 引脚通用功能

表7.2 引脚通用模式

通用功能和模式相关的宏定义在标准接口层中，不会随芯片的改变而改变，使用通用功能和模式的应用程序是与具体芯片是无关的，可以跨平台复用。使用通用功能和模式配置引脚的范例程序详见程序清单7.1。

程序清单7.1 使用通用功能和模式配置引脚的范例程序

2.  平台功能和模式

平台功能和模式与具体芯片相关，会随着芯片的不同而不同，主要包括引脚的复用功能和一些特殊的模式，平台功能和模式相关的宏定义在{chip}_pin.h文件中，宏名的格式为PIOx_y_*，比如：PIO3_0_AUART0_RX，即PIO3_0的串口0接收引脚。

如需查找某一引脚（比如：PIO3_0）相关的平台功能和平台模式，可以打开{chip}_pin.h文件，找到以PIO或引脚编号PIO3_0为前缀的所有宏定义。若一个宏定义以引脚编号为前缀，则表明该宏仅可用于引脚编号对应的引脚，例如，PIO3_0_AUART0_RX仅可用于PIO3_0。若一个宏定义没有以具体引脚编号为前缀，仅以PIO作为前缀，则表明该宏对应的功能或模式可用于所有引脚。例如，PIO3_0相关的平台功能详见表7.4，相关的平台模式定义详见表7.3。

表7.3 引脚平台模式

表7.4 PIO3_0平台功能

在表7.3中，所有平台模式都以PIO作为前缀，而非PIO3_0作为前缀。表明这些平台模式不是PIO3_0引脚所特有的，而是所有引脚都可能支持的模式，即这些模式对应的宏可以在配置任意引脚时使用。使用平台功能和模式配置引脚的范例程序详见程序清单7.2。

程序清单7.2 使用通用功能和模式配置引脚的范例程序

特别地，平台功能和模式可以和通用功能和模式组合使用。例如，在配置I²C引脚时，可以开启内部上拉，范例程序详见程序清单7.3。

程序清单7.3 通用模式和平台模式混合使用

7.1.2  I/O的申请和释放

如表7.4所示，PIO3_0可以被用作4种功能。虽然PIO3_0的功能众多，但是，在同一时刻，其只能被用作某一确定功能，并不能同时使用多种功能。

随着系统复杂度的上升，用户往往很难保证某一引脚只被用作一种功能，稍有不慎，就可能将某一引脚同时配置为多种功能，而实际上，由于引脚同一时刻只能被用作一种功能，因此，部分使用某种功能的程序将不能正常工作。这种情况下，用户往往很难发现工作异常的原因。

例如，PIO3_0已经被用作I²C0的时钟引脚，结果由于程序员的不小心，又将其配置为串口0的接收引脚，此时，若不加以保护，则引脚会被配置为串口0的接收引脚，这将导致I²C0工作不正常。

为了保证引脚功能的互斥使用，AWorks提供了一种申请机制，在将引脚用作某一功能前，必须向系统申请，若该引脚处于空闲状态，还未被申请过，则本次申请成功，同时标记该引脚已被使用。若在申请时，该引脚已被申请，则本次申请失败。当一个引脚使用完毕时，应该释放该引脚，以便系统将该引脚分配给下一个申请者。

在实际应用中，往往在设计硬件电路时，一个引脚只会被用作某一确定的功能，不会将一个引脚同时用作多个外设功能引脚，因此，软件设计正确无误的情况下，通常不会出现申请失败的情况。当申请失败时，往往是由于软件开发人员的错误导致的，这就需要软件开发人员引起足够的重视，出现申请失败的情况时，必须立即解决，找到某一引脚被非法占用的位置。

引脚申请机制包括两个接口，相关接口的原型详见表7.5。

表7.5 引脚申请机制相关接口（aw_gpio.h）

1.  申请引脚

当需要使用一组引脚时，应该向系统申请，申请的函数原型为：

其中，p_name为申请者的名字，p_pins指向引脚列表，num为本次申请的引脚个数。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示申请成功，可以正常使用相关的引脚，否则，表示申请失败，相关引脚已经被占用，无法使用。

p_name为申请者的名字，其指向一个字符串，例如，"LED"、"UART" 、"SSP0"、"I²C0"等，名字仅作标记，便于引脚的跟踪，可以任意设定。

p_pins为引脚列表，例如，要申请PIO3_2和PIO3_3这两个引脚用作串口功能，则引脚列表可以定义为：

num表示本次申请的引脚个数，其值应该与p_pins指向的列表中的引脚个数相等，比如：2。申请PIO3_2和PIO3_3这两个引脚用作串口功能的范例程序详见程序清单7.4。

程序清单7.4 引脚申请范例程序

只有当引脚申请成功后，才能配置相应的引脚用作串口功能。

特别地，即使将一个IO口用作通用的GPIO口，也需要先申请，例如，要将PIO2_6用作通用I/O口，用以控制LED0。则同样需要在将其配置为通用I/O功能前向系统申请，范例程序程序清单7.4。

关于需要申请引脚的时机，一个简单的原则就是：在调用aw_gpio_pin_cfg()前，都应该确保已经向系统申请到该引脚的使用权。

2.  释放引脚

当引脚使用完毕，暂时不再使用时，应该释放引脚，清除每个引脚的使用记录。便于其它模块申请使用。其函数原型为：

其中， p_pins指向引脚列表，num为本次释放的引脚个数。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示释放成功，否则，表示释放失败，可能是由于参数错误导致的。

p_pins为引脚列表，其应该与申请引脚时的引脚列表一致，例如，要释放之前申请的PIO3_2和PIO3_3这两个引脚，则引脚列表定义为：

num表示本次释放的引脚个数，其值应该与p_pins指向的列表中的引脚个数相等，比如：2。释放PIO3_2和PIO3_3这两个引脚的范例程序详见程序清单7.5。

程序清单7.5 释放引脚范例程序

在释放引脚前，可以将I/O口配置为通用GPIO功能，以使其不再作为串口的功能引脚。特别注意，这一配置操作只能在释放前完成，释放后将失去引脚的控制权，不可再对其进行配置操作。

7.1.3  普通I/O接口

当将一个引脚配置为通用I/O接口时（输入或输出），则可以通过相关的I/O接口控制其输出状态或获取其输入状态。相关接口的原型详见表7.6。

表7.6 GPIO通用接口（aw_gpio.h）

1.  获取引脚电平

无论当前引脚处于输出模式还是输入模式，都可以通过该接口获取当前的引脚电平状态。其函数原型为：

其中的pin为引脚编号。返回值为标准的错误号，若返回值小于0，则表示获取失败，失败的原因可能是用于引脚不存在。若返回值为非负数，则表明获取成功，其值为0时，表明当前引脚的电平为低电平，其值大于0时，表明当前引脚的电平为高电平。范例程序详见程序清单7.6。

程序清单7.6 获取引脚电平范例程序

2.  设置引脚电平

当引脚处于输出模式时，可以通过该接口设置引脚的输出电平，其函数原型为：

其中，pin为引脚编号。value为设置的值，当value为0时，输出低电平，否则，输出高电平。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示设置成功，否则，表示设置失败。

例如，可以控制GPIO的输出电平，达到控制LED状态的目的。在EPC-AW280上板载了一个运行指示灯，标识为RUN，其对应的原理图详见图7.1。

图7.1 板载LED电路

其中，发光二极管的阴极与MCU的PIO2_6相连，当I/O输出低电平时，由于LED阳极加了3.3V电压（高电平1），因而形成了电位差，所以有电流流动，则LED发光二极管导通，即LED发光；当I/O输出高电平1时，由于无法形成电位差，则LED二极管不导通，即LED熄灭。

基于此，可以使PIO2_6输出低电平，以点亮LED，范例程序详见程序清单7.7。

程序清单7.7 设置引脚电平范例程序

程序中，首先将PIO2_6配置为了输出模式，并将初始值设定为高电平，以便初始化完毕后，LED默认处于熄灭状态。

同理，点亮LED后，可以控制PIO2_6输出高电平，以熄灭LED。如以一定的频率交替使PIO2_6输出高电平和低电平，则可以看到LED闪烁，范例程序程序清单7.8。

程序清单7.8 交替输出高低电平的范例程序

这里通过GPIO的输出控制LED，仅为介绍GPIO接口的使用方法。实际中，AWorks已经定义了通用的LED接口，在应用中操作LED时，均建议使用通用的LED接口。

3.  翻转引脚电平

该接口用于翻转 GPIO 引脚的输出电平，如果GPIO当前输出的是低电平，当调用该函数后，GPIO将输出高电平，反之则输出变为低电平。其函数原型为：

其中，pin为引脚编号。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示翻转成功，否则，表示翻转失败。在程序清单7.8中，通过交替输出高电平和低电平实现了LED闪烁。而交替输出高低电平本质上就是不断翻转GPIO的输出电平。基于此，若以一定的频率翻转GPIO的输出电平，同样可以实现LED闪烁，范例程序详见程序清单7.9。

程序清单7.9 翻转引脚电平的范例程序

7.1.4  中断I/O接口

由对普通I/O接口的介绍可知，若需获取某一引脚的状态，可以通过aw_gpio_get()接口得到引脚的当前输入状态。若用户需要监控GPIO某一状态事件（比如：GPIO由高电平变为低电平），即当出现某一状态时，才执行相应的操作。若还是使用普通I/O接口，则必须不断的调用aw_gpio_get()接口，直到读取到引脚电平为0。显然，由于使用这种方式需要不断的轮询，因而是非常消耗CPU的。为此，AWorks提供了中断I/O接口，其可以使GPIO工作在中断状态，实时监控引脚的输入状态，只有当用户期望的状态发生时，才通知用户，用户进而执行相关的处理，当期望的状态没有发生时，则用户完全不用关心引脚的状态，无需对引脚进行不断的轮询。

AWorks为I/O中断相关的操作定义了一套触发接口，用户期望的状态称之为触发条件，当GPIO的输入状态满足触发条件时，将自动调用引脚触发回调函数，以通知用户作相关的处理。相关接口原型详见表7.7。

表7.7 GPIO触发相关接口函数

1.   连接引脚触发回调函数

在使用引脚的触发功能前，应该首先连接一个回调函数到触发引脚，当相应引脚的触发事件产生时，则会调用本函数连接的触发回调函数。其函数原型为：

其中，pin为引脚编号，pfunc_callback为指向回调函数的指针，其指向的函数即为本次连接的回调函数，p_arg为传递给回调函数的用户参数。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示连接成功，否则，表示连接失败，失败可能是由于该引脚不支持触发模式。

pfunc_callback为指向回调函数的指针，其类型为aw_pfuncvoid_t，该类型在aw_types.h文件中定义如下：

由此可见，回调函数的类型是无返回值，具有一个void *类型参数的函数。当触发事件发生时，将自动调用pfunc_callback指向的函数，并将连接触发回调函数时设定的p_arg作为回调函数的参数。例如，要将引脚PIO3_6用作触发功能，则首先需要连接触发回调函数，范例程序详见程序清单7.10。

程序清单7.10 连接引脚触发回调函数范例程序

2.  断开引脚触发回调函数

与aw_gpio_trigger_connect()函数的功能相反，当一个引脚不再需要用作触发功能时，可以断开引脚与回调函数的连接。或者当需要将一个引脚的回调函数重新连接到另外一个函数时，则应该先断开当前连接的回调函数，再重新连接到新的回调函数。其函数原型为：

其中，pin为引脚编号，pfunc_callback 为指向回调函数的指针，其值应该与连接回调函数时设定的回调函数一致，p_arg为回调函数的参数，其值同样应该与连接回调函数时设定的p_arg一致。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示断开连接成功，否则，表示断开连接失败，失败可能是由于参数错误造成的。使用范例详见程序清单7.11。

程序清单7.11 断开引脚触发回调函数范例程序

3.  配置引脚触发条件

连接触发回调函数后，需要配置引脚触发的条件，其函数原型如下：

其中，pin为引脚编号，flags用于指定触发条件。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示配置成功，否则，表示配置失败，配置失败可能是由于该引脚不支持配置的触发条件。

触发条件决定了引脚触发的时机，所有可选的触发条件详见表7.8。

表7.8 GPIO触发条件配置宏

实际中，并不是每一个引脚都支持表中所有的触发条件，当配置触发条件时，应检测返回值，确保相应引脚支持所配置的触发条件。特别地，部分引脚可能不支持触发模式，配置任何触发条件都会失败。

例如，配置PIO3_6为触发模式，触发条件为下降沿触发，范例程序详见程序清单7.12。

程序清单7.12 配置触发条件的范例程序

4.  打开引脚触发

当正确连接回调函数并设置相应的触发条件后，可以打开引脚触发，使引脚触发开始工作。其函数原型为：

其中，pin为引脚编号，返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示打开成功，否则，表示打开失败，打开失败可能是由于未正确连接回调函数或设置触发条件。

综合连接引脚触发回调函数和配置引脚触发条件的接口，可以实现一个完整的引脚触发范例程序，详见程序清单7.13。

程序清单7.13 打开引脚触发范例程序

程序中，由于需要使用aw_gpio_pin_cfg()将引脚配置为输入模式，因此，在配置引脚前，同样先向系统申请了引脚的控制权。特别地，在aw_gpio_trigger_cfg()前，无需再次申请。

程序运行后，若PIO3_6引脚出现下降沿（可以通过导线将PIO3_6与GND轻触几次），则可以观察到LED的状态发生变化。实际中，若采用轻触GND的方式产生下降沿，由于轻触时会有抖动，可能轻触时将在短时间内产生多个下降沿，此时，可能观察到LED无规律的翻转。

注意，必须先连接回调函数，再配置引脚的触发条件，这个顺序不能颠倒，即不能颠倒程序清单7.13中第18行和第19行的顺序。

特别地，当将引脚用作触发功能时，往往需要将引脚配置为输入模式。程序清单7.13的第14行程序将引脚配置为了输入模式，并开启了上拉，使得PIO3_6在外部悬空状态时，仍能处于确定的高电平状态。

5.  关闭引脚触发

当暂时不使用引脚触发功能时，可以关闭引脚触发，引脚触发将停止工作，此时，即使满足配置的触发条件，也不会触发调用引脚相应的回调函数。其函数原型为：

其中，pin为引脚编号，返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示关闭成功，否则，表示关闭失败。使用范例详见程序清单7.14。

程序清单7.14 关闭引脚触发范例程序

当引脚触发被关闭后，若需引脚触发重新开始工作，可以使用aw_gpio_trigger_on()再次打开引脚触发功能。

7.2  PWM

7.2.1  PWM简介

大小和方向随时间发生周期性变化的电流称为交流，交流中最基本的波形称为正弦波，除此之外的波形称为非正弦波。计算机、电视机、雷达等装置中使用的信号称为脉冲波、锯齿波等，其电压和电流波形都是非正弦交流的一种。

PWM（Pulse Width Modulation）就是脉冲宽度调制的意思，一种脉冲编码技术，即可以按照信号电平改变脉冲宽度。而脉冲宽度调制波的周期也是固定的，用占空比（高电平/周期，有效电平在整个信号周期中的时间比率，范围为0~100%）来表示编码数值。PWM可以用于对模拟信号电平进行数字编码，也可以通过高电平（或低电平）在整个周期中的时间来控制输出的能量，从而控制电机转速或LED亮度。

PWM信号是由计数器和比较器产生的，比较器中设定了一个阈值，计数器以一定的频率自加。当计数器的值小于阈值时，则输出一种电平状态，比如，高电平。当计数器的值大于阈值，则输出另一种电平状态，比如，低电平。当计数器溢出清0时，又回到最初的电平状态，即I/O引脚发生了周期性的翻转而形成PWM波形，详见图7.2。

图7.2 PWM波形图

当计数器的值小于阈值时，则输出高电平；当计数器的值大于阈值时，则输出低电平。阈值为45，计数器的值最大为100。PWM波形有三个关键点：起始点①，此时计数器的值为0；计数器值达到阈值②，I/O状态发生翻转；计数器达到最大值③，I/O状态发生翻转，计数器的值回到0重新开始计数。

7.2.2  PWM接口

AWorks提供了接口函数，用于控制PWM输出，接口原型详见表7.9。

表7.9 PWM接口函数（aw_pwm.h）

1.  配置PWM通道

配置一个PWM通道的周期时间和高电平时间，其函数原型为：

其中，pid为PWM通道的id号，duty_ns为脉宽时间（单位：ns），period_ns为周期时间（单位：纳秒）。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示配置成功，否则，表示配置失败。

在AWorks中，一个系统往往可以输出多个通道的PWM，各个通道通过pid区分，一个系统实际可以输出PWM的通道数与具体硬件平台相关。例如，在i.MX28x系统中，可以输出8路PWM。则PWM通道的编号为：0 ~ 7，各通道对应的默认I/O口详见表7.10。

表7.10 各通道对应的I/O口

注：实际中，各个PWM通道对应的I/O口是可以配置的，具体配置方法详见SDK配套资料中的《用户手册.pdf》。

输出PWM的频率由周期时间period_ns决定，例如，需要输出1KHz的PWM，周期时间为1ms，则period_ns的值为1000000。

输出PWM的脉宽由duty_ns决定，它和周期值决定了输出PWM的占空比，占空比即为：duty_ns / period_ns。duty_ns的值不能超过period_ns。配置PWM通道0输出PWM的频率为1KHz，占空比为50%的范例程序详见程序清单7.15。

程序清单7.15 配置PWM通道的范例程序

2.  使能PWM输出

PWM通道配置完成后，并不会输出PWM。只有使能通道输出后，才能使相应通道开始输出PWM，其函数原型为：

其中，pid为PWM通道的id号。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示使能成功，PWM开始输出，否则，表示使能失败，PWM不能正常输出，失败原因可能是通道号设置有误。使能PWM通道0输出的范例程序详见程序清单7.16。

程序清单7.16 使能PWM输出范例程序

3.  禁能PWM输出

若需关闭PWM通道的输出，则可以禁能相应PWM通道，其函数原型为：

其中，pid为PWM通道的id号。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示禁能成功，PWM停止输出，否则，表示禁能失败。禁能PWM通道0输出的范例程序详见程序清单7.17。

程序清单7.17 禁能PWM输出范例程序

EPC-AW280上板载了一个无源蜂鸣器，其对应的原理图详见图7.3，蜂鸣器的控制引脚与GPIO3_29连接，当GPIO3_29输出高电平时，则三极管导通，向蜂鸣器供电；当GPIO3_29输出低电平时，则三极管截止，停止向蜂鸣器供电。对于无源蜂鸣器，只要以一定的频率控制蜂鸣器的“通电”和“断电”，即可使蜂鸣器产生机械振动音，声音的频率与控制信号的频率相同，只要频率在人耳的听觉范围内，即可听到蜂鸣器发出的声音。

图7.3 板载蜂鸣器电路

基于此，可以通过GPIO3_29输出一定频率的PWM，使蜂鸣器发声。由表7.10可知，GPIO3_29对应的PWM通道为4。因此，控制PWM通道4输出PWM即可听到蜂鸣器发声。范例程序详见程序清单7.18。

程序清单7.18 使用PWM输出驱动蜂鸣器发声范例程序

运行程序，可以听到蜂鸣器发出的声音。由于程序中一直输出PWM，因此蜂鸣器会一直鸣叫，若仅需蜂鸣器每秒“嘀”一声，则可以在不需要发声时禁能PWM输出。范例程序详见程序清单7.19。

程序清单7.19 使用PWM控制蜂鸣器每秒“嘀”一声的范例程序

这里通过控制PWM的输出驱动蜂鸣器发声，仅为介绍PWM接口的使用方法。实际中，AWorks已经定义了通用的蜂鸣器接口，在应用中操作蜂鸣器时，均建议直接使用通用的蜂鸣器接口。

7.3  SPI总线

7.3.1  SPI总线简介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种全双工同步串行通信接口，常用于短距离高速通信，其数据传输速率通常可达到几M甚至几十M。SPI通信采用主/从结构，主/从双方通信时，需要使用到4根信号线：SCLK、MOSI、MISO、CS。其典型的连接示意图详见图7.4。

图7.4 SPI连接示意图——单从机

• SCLK：时钟信号，由主设备产生；

• MOSI：主机数据输出，从机数据输入；

• MISO：从机数据输出，主机数据输入；

• CS：片选信号，由主设备控制。

数据传输是由主机发起的，主机在串行数据传输前驱动CS信号，使之变为有效状态（通常情况下，有效状态为低电平），接着，在SCLK上输出时钟信号，在时钟信号的同步下，每个时钟传输一位数据，主机数据通过MOSI传输至从机，从机数据通过MISO传输至主机，数据传输完毕后，释放CS信号，使之变为无效状态，一次数据传输完成。

一个主机可以连接多个从机，多个从机共用SCLK 、MOSI、MISO三根信号线，每个从机的片选信号CS是独立的，因此，若主机需要连接多个从机，就需要多个片选控制引脚。连接示意图详见图7.5。当一个主机连接多个从机时，同一时刻最多只能使一个片选信号有效，以选择一个确定的从机作为数据通信的目标对象。也就是说，在某一时刻，最多只能激活寻址一个从机，以使各从机之间相互独立的使用，互不干扰。

图7.5 SPI连接示意图——多从机

注意，单个通信网络中，可以有多个从机，但有且只能有一个主机。

除了需要了解上述SPI的基本概念外，读者还应该理解SPI的传输模式，以便在操作SPI从机器件时，可以正确的设置SPI主机的传输模式。

SPI数据传输是在片选信号有效时，数据位在时钟信号的同步下，每个时钟传输一位数据。根据时钟极性和时钟相位的不同，将SPI分为了4种传输模式，详见表7.11。

表7.11 SPI模式

• 时钟极性（CPOL）

时钟极性表示了SPI空闲时的时钟极性，可以为高电平（CPOL=1）或低电平（CPOL=0）。

• 时钟相位

时钟相位决定了数据采样的时机，若CPHA=0，则表示数据在时钟的第一个边沿采样；若CPHA=1，则表示数据在时钟的第二个边沿采样。

CPHA=0时，对应的模式0（CPOL=0）和模式2（CPOL=1）的示意图详见图7.6。

图7.6 SPI模式0和模式2示意图

在SPI模式0（CPOL=0，CPHA=0）中，时钟空闲电平为低电平，在传输数据时，每一位数据在第一个边沿（即上升沿）采样。

在SPI模式2（CPOL=1，CPHA=0）中，时钟空闲电平为高电平，在传输数据时，每一位数据在第一个边沿（即下降沿）采样。

同理，CPHA=1时，对应的模式1（CPOL=0）和模式3（CPOL=1）的示意图详见图7.7。

图7.7 SPI模式1和模式3示意图

在SPI模式1（CPOL=0，CPHA=1）下，时钟空闲电平为低电平，在传输数据时，每一位数据在第二个边沿（即下降沿）采样。

在SPI模式3（CPOL=1，CPHA=1）下，时钟空闲电平为高电平，在传输数据时，每一位数据在第二个边沿（即上升沿）采样。

7.3.2  SPI总线接口

绝大部分情况下，MCU都作为SPI主机与SPI从机器件通信，因此这里仅介绍AWorks中将MCU作为SPI主机的相关接口，接口原型详见表7.12。

表7.12 SPI标准接口函数

1.  定义SPI从机器件实例

对于用户来讲，使用SPI总线的目的往往是用于操作一个SPI从机器件，比如，HC595、SPI FLASH等。MCU作为SPI主机与从机器件通信，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。在AWorks中，定义了统一的SPI从机器件类型：aw_spi_device_t，用于包含从机器件相关的信息，以便主机正确的与之通信。该类型的具体定义用户无需关心，在使用SPI操作一个从机器件前，必须先使用该类型定义一个与从机器件对应的器件实例，例如：

其中，spi_dev为用户自定义的从机实例，其地址可作为接口函数中p_dev的实参传递。

2.  初始化SPI从机器件实例

当完成SPI从机器件实例的定义后，还需要完成其初始化，指定从机器件相关的信息，初始化函数的原型为：

其中，p_dev为指向SPI从机器件实例的指针，busid为SPI总线编号，bits_per_word为数据位宽，mode为使用的SPI模式，max_speed_hz为从设备支持的最高时钟频率，cs_pin为从机设备的片选引脚，pfunc_cs为自定义的片选引脚控制函数。

在AWorks中，一个系统往往具有多条SPI总线，各总线之间通过busid区分，一个系统实际支持的SPI总线条数与具体硬件平台相关。例如，在i.MX28x系统中，最高可以支持5条SPI总线，对应的总线编号即为：0 ~ 4。busid参数即用于指定使用那条SPI总线与从机器件进行通信。

表7.13 SPI模式标志

bits_per_word指定了数据传输的位宽，一般来讲，数据均为8位，即每个数据为一个字节。

mode为从机使用的SPI模式（模式0 ~ 模式3，对应的宏定义详见表7.13），从机器件一般支持固定的一种或几种SPI模式，这里的mode用于指定使用何种SPI模式与从机器件通信。

max_speed_hz为从机器件支持的最大速率（SCLK最高时钟频率），往往在从机器件对应的数据手册上有定义。通常情况下，从机器件支持的最大速率都是很高的，有时可能会超过MCU中SPI主机能够输出的最大时钟频率，此时，将直接使用MCU中SPI主机能够输出的最大时钟频率。

cs_pin和pfunc_cs均与片选引脚相关。pfunc_cs是指向自定义片选引脚控制函数的指针，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pfunc_cs指向的函数实现。当需要片选引脚有效时（SPI数据传输前），系统将自动调用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（SPI数据传输结束后），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的值设置为片选引脚，比如：PIO2_19。

例如，要使用SPI0（SPI总线的busid为0）操作74HC595。则首先应该定义并初始化一个与74HC595对应的从机器件。这就还需要知道几点重要的信息：数据位宽、模式、最高速率和片选引脚。

要获取这些信息，就必须查看芯片相关的数据手册和相应的硬件电路。74HC595是一种常用的串行输入/并行输出转换芯片，其引脚分布图详见图7.8。

图7.8 74HC595管脚图

74HC595内部有两个8位寄存器：一个移位寄存器和一个数据锁存寄存器。移位寄存器的8位数据使用Q0’ ~ Q7’表示，其中仅Q7’位对应的电平通过Q7’引脚输出，其余位未使用引脚输出。数据锁存寄存器的8位数据使用Q0 ~ Q7表示，并使用Q0 ~ Q7引脚将8位数据输出。

移位寄存器在时钟信号CP的作用下，每个上升沿将D引脚电平移至移位寄存器的最低位，其余位依次向高位移动，移位寄存器的值发生改变，Q7’引脚的输出随着值的改变而改变，但此时，数据锁存寄存器中的值保持不变，即Q0 ~ Q7的输出保持不变。由此可见，由于移位作用，原移位寄存器中的最高位Q7’将被完全移除，数据丢失。若希望数据不丢失，即并行输出的数据超过8位，则可以将多个74HC595串接，将Q7’引脚连接至下一个74HC595的数据输入端D。这样，每次移位时，原先的Q7’将移动至下一个74HC595中，这也是为什么单独将Q7’通过引脚引出的原因，通过多个74HC595级联，可以将并行输出扩展为16位、24位、32位等。

数据锁存寄存器的值可以通过STR引脚输入上升沿信号更新，当STR引脚输入上升沿信号时，数据锁存寄存器中的值将更新为移位寄存器中的值，即Q0 ~ Q7的值更新为Q0’~Q7’的值。这样的设计可以保证同时改变所有并行输出，将8位数据一次性地在Q0 ~ Q7端输出，如果不使用数据锁存寄存器，而是直接将移位寄存器的值输出，则输出将受到移位过程的影响，即每次移位，数据输出都可能发生变化。

除基本的CP时钟信号、D数据输入信号、STR锁存信号、Q0 ~ Q7输出信号、Q7’输出信号外，还有和两个控制信号，为锁存寄存器的输出使能信号，当

74HC595传输数据的过程为：D端为数据输入口，在时钟CP的作用下每次传输一位数据至移位寄存器中，如需传输8位数据，则应在CP端输入8个时钟信号，传输结束后，需要在STR上产生一个上升沿信号，以便将移位寄存器中的数据输出。由此可见，其数据传输的方式和SPI传输数据的方式极为相似，均是在时钟信号的同步下，每个时钟传输一位数据，特殊的，74HC595在传输结束后需要在STR上输入一个上升沿锁存信号。实际上，在SPI传输中，传输数据前，主机会将片选信号拉低，传输结束后，主机会将片选信号拉高，显然，若将STR作为从机片选信号由主机控制，则在数据传输结束后，主机会将片选信号拉高，同样可以达到在STR上产生上升沿的效果。

基于此，可以将74HC595看作一个SPI从机器件，SPI主机的SCLK时钟信号与CP相连，MOSI作为主出从入，与D相连，CS作为片选信号，与STR相连。此外，74HC595作为一个串/转并芯片，只能输出数据，不能输入数据，即SPI主机只需向74HC595发送数据，不需要从74HC595接收数据，因此，无需使用SPI的MISO引脚。

MiniPort-595模块采用74HC595扩展8路I/O，可以直接驱动LED显示模块，其等效电路详见图7.9。由此可见，模块仅有3路信号输入，但可并行输出8位数据。电路中，将 直接接地，固定为低电平，使能了数据锁存寄存器的输出。将 直接与电源连接，固定为高电平，即不使用其复位功能，使其不影响移位寄存器的值。

图7.9 74HC595电路图

实际中，当MiniPort-595与i.MX28x的扩展板连接时，MOSI、SCLK与i.MX28x的SPI0连接，片选信号CS与PIO2_19连接。

在初始化与74HC595对应的SPI从机器件实例时，还需要获取到数据宽度、SPI模式、最高时钟频率等信息。即：

• 数据宽度

74HC595只有8个并行输出口，内部寄存器也均为8位，因此，单次传输的数据为8位，SPI传输时的数据宽度即为8。

• SPI模式

数据在CP时钟信号的上升沿被采样送入74HC595的移位寄存器，对空闲时钟电平没有要求，根据SPI几种模式的定义可知（详见图7.6和图7.7），模式0和模式3均是在时钟上升沿采样数据，因此，使用模式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支持的最高时钟频率可达100MHz，但实际中，受到MCU处理速度的限制以及MCU输出引脚翻转频率的限制，往往并不能达到该值。因此，最高时钟频率可以先设置在一个相对合理的范围，比如，3000000Hz（3MHz）。后续若3MHz不满足应用需求，可以在此基础上根据需要调大调小即可。

基于以上信息，可以定义并初始化一个与74HC595对应的SPI从机器件实例，范例详见程序清单7.20。

程序清单7.20 初始化从机器件实例的范例程序

3.  设置SPI从机器件实例

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，p_dev是指向SPI从机器件实例的指针。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示设置成功，否则，表示设置失败，存在不支持的位宽、速率或模式等。

例如，在完成74HC595的初始化后，再通过该接口设置一次74HC595器件实例，范例程序详见程序清单7.21。

程序清单7.21 设置SPI从机器件实例的范例程序

4.  先写后读

当设定好从机实例后，即可与从机器件进行数据交互。虽然SPI协议是可以全双工通信的，即数据的发送和接收同时进行，但绝大部分情况下，并不会同时发送数据或接收数据，往往数据时单向进行的，即发送的时候不接收数据，或接收的时候不发送数据。

基于常见的SPI从机器件的操作方法，AWorks定义了两种情形下的数据通信：先写入一段数据至从机，再读取一段数据；先写入一段数据至从机，再写入一段数据。之所以均是先写入一段数据，是因为绝大多数数从机器件在操作前，首先都要发送一段命令数据至从机，以指定接下来的具体操作（读数据或写数据）。

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：

其中，p_dev指向从机器件实例，表示本次数据通信的目标对象，p_txbuf指向需要首先写入从机的数据，n_tx为写入数据的字节数。p_rxbuf指向数据发送完成后，接收数据的缓冲区，n_rx为接收数据的个数。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示数据传输成功，否则，表示数据传输失败。

注意，若只需要写入数据，不需要读取数据，则可以将p_rxbuf设置为NULL，n_rx设置为0，同理，若只需要读取数据，不需要发送数据，则可以将p_txbuf设置为NULL，n_tx设置为0。例如，需要发送数据至74HC595，以并行输出8位数据0x55，则范例程序详见程序清单7.22。

程序清单7.22 先写后读范例程序（1）

为了更加直观的观察输出数据是否正确，可以将MiniPort-LED与MiniPort-595连接，等效电路图详见图7.10，由此可见，74HC595的输出端为低电平时，对应LED点亮， 0x55对应的二进制为01010101，因此，若成功输出，则可以观察到LED1、LED3、LED5和LED7被点亮，LED0、LED2、LED4和LED6被熄灭。

图7.10  MiniPort-595 + MiniPort-LED等效电路图

由于74HC595使用简单，只能写入数据，因此，上述范例程序并没有用到读取数据。实际上，对于常见的SPI从机器件，其通信协议往往都是采用“命令”+“数据”的格式。如典型的SPI FLASH从机器件：MX25L1606，在对其操作时，均需要先写1字节的命令，后续再是具体的数据，具体数据的含义随着命令的不同而不同。例如，每个MX25L1606内部具有一个3字节的电子ID号（RDID），如需读取该ID，则需要先发送单字节的命令0x9f。则使用先写后读接口读取ID的关键语句详见程序清单7.23。

程序清单7.23 先写后读范例程序（2）

更多命令以及RDID的含义详见相应的数据手册，这里仅用于说明对于这种常见的操作方法，如何正确的使用SPI接口。

5.  连续两次写

连续两次写，即主机先发送一段数据至从机（写），发送结束后，再发送一段数据至从机（写）。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：

其中，p_dev指向从机器件实例，表示本次数据通信的目标对象，p_txbuf0指向需要首先写入从机的数据，n_tx0为写入数据的字节数。p_txbuf0指向数据发送完成后，开始发送下一段数据，p_txbuf1指向需要再次写入从机的数据，n_tx1为写入数据的字节数。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示数据传输成功，否则，表示数据传输失败。

注意，若只需要写入一段数据，则可以将p_txbuf1设置为NULL，n_tx1设置为0。

同样可以使用该接口发送数据至74HC595，例如，使用MiniPort-595控制MiniPort-LED，使LED0 ~ LED7依次循环点亮，实现简易的流水灯效果，范例程序详见程序清单7.24。

程序清单7.24 执行连续两次写的范例程序（1）

程序中，由于LED是低电平点亮，因此，通过74HC595输出数据时，需要将data取反，以便使数据中与需要点亮的LED相应位的值为0。

由于74HC595只能写入单字节数据，因此，上述范例程序并没有使用到第二次的数据写入，第二次写入的数据缓冲区被设定为了NULL。为了更全面的说明该接口的用法，同样以MX25L1606为例，如果要在SPI FLASH存储器中存入一段数据，则应先发送命令0x02和存储数据的起始地址（3字节，24位），接着再发送实际的待存储的数据。写入数据至指定地址的关键语句详见程序清单7.25。

程序清单7.25 执行连续两次写的范例程序（2）

实际中，写入数据前，应确保相应区域被擦除，擦除同样有相关的命令，更多命令以及数据存储的注意事项详见相应的数据手册，这里仅用于说明连续两次写接口的使用方法。