探秘 SPI 总线

“ 详解串行外设接口及其与存储器、显示屏、Wi-Fi模块和SD卡的通信应用。 ”

在先前文章中，我探讨了现代 OLED 显示屏与裸机微控制器对接的惊人便捷性。我的观点很简单：多数嵌入式应用中，采用完整 Linux SoC 平台（如树莓派）不仅冗余，反而会引发更多待解难题。

可能会有人反驳：OLED 模块或许是个特例。比如为 MCU 添加无线连接或外部闪存模块，工程复杂度必定陡增。

虽无普适答案，但我认为 OLED 相关的练习比大多数练习都要更难。在无需千兆级传输速率的场景中，嵌入式外设多采用串行外设接口（SPI）：这种极其简单的全双工总线轻松实现超 50 Mbps 传输速率，且通常规避了 OLED 内存排序逻辑等异常设计。

SPI 的基本原理和操作方式很容易理解：由 MCU 主导通信流程。当需传输数据时，MCU 将对应外设的「片选」（CS-）引脚拉低，并向总线 SCK（串行时钟）线输出时钟信号。MCU 通过 MOSI（主出从入）逐位发送数据（通常在时钟上升沿触发），外设则通过 MISO（主入从出）并行回应。

常用（“模式 0”）的 SPI 协议要点

时钟信号在传输单个字节或其整数倍后自动停止。当 MCU 需单向接收数据时，可通过 MOSI 发送虚拟字节以激活总线时钟，同时读取 MISO 数据；同理，外设亦可借此机制保持通信同步。

尽管从某种角度来说，为 SPI 总线提供硬件驱动可能并不是绝对必要的，但很多微控制器还是会提供一个针对 SPI 总线的硬件驱动。以 ATmega328P 为例，其 SPI 数据寄存器（SPDR）具备自动收发功能：当向该寄存器写入字节时，系统自动执行 SPI 总线传输，发送数据的同时，该寄存器还会被来自 MISO（Master In Slave Out）的数据替换。传输完成时，微控制器就会在 SPI 状态寄存器（SPSR）中设置“SPI 完成”（SPIF）标志位。

假设我需要将 ATmega328P 与一款 128kB SRAM模块（型号23LC1024）对接。该模块仅有 8 个引脚：2 个电源引脚（支持 2.5-5.5V 输入），4 个基础 SPI 接口引脚，以及 2 个无需连接的冗余引脚。具体连接时，需将模块的"串行输入"（SI）引脚接至 MCU 的 MOSI 线路，"串行输出"（SO）引脚接至 MISO 线路，SCK（时钟）线需互联。最后的"片选"（CS-）引脚可接至 MCU任意输出线，本例将采用端口B的第 0 位。

完成硬件连接后，需返回微控制器进行配置：通过 DDRB 寄存器的位映射设置 MOSI 和 SCK 引脚为输出模式，MISO 为输入模式（如先前所述）。接着在 SPI 配置寄存器（SPCR）中激活两个标志位："SPI 使能"（SPE）与"主控模式"（MSTR）:

 

DDRB = 0b11101111;SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR);

除基本配置外，SPCR 寄存器还支持总线速率分频设置（如SPI2X、SPR1/SPR0位），但实验阶段默认速率（通常为系统时钟的1/4）已能满足需求。完成寄存器初始化后，可通过以下函数实现与存储控制器的单字节双向通信：

 

 

uint8_t spi_rxtx_byte(uint8_t val) {  SPDR = val;  while (!(SPSR & (1 << SPIF)));  return SPDR;}

应用层协议也很简单，写入流程如下：

 

发送写指令码 0x02

发送 3 个字节的写入地址

连续发送待写入数据流

拉高 CS- 引脚结束操作

虽然图表看似复杂，但实现这一功能的代码却简单而贴心：

 

void write_ext_ram_bytes(uint32_t addr, const uint8_t* ptr, uint16_t len) {  PORTB &= ~1; /* CS- down */  spi_rxtx_byte(0x02);  spi_rxtx_byte(addr >> 16);  spi_rxtx_byte(addr >> 8);  spi_rxtx_byte(ext_addr);  while (len--) spi_rxtx_byte(*(ptr++));  PORTB |= 1; /* CS- up */}

读取存储器的工作原理大致相同，MCU 会发送一条 “读取 ”命令 (0x03)，然后不断发送虚字节，同时保存从存储器芯片收到的响应：

 

 

void read_ext_ram_bytes(uint32_t addr, uint8_t* ptr, uint16_t len) {  PORTB &= ~1; /* -CS down */  spi_rxtx_byte(0x03);  spi_rxtx_byte(addr >> 16);  spi_rxtx_byte(addr >> 8);  spi_rxtx_byte(addr);  while (len--) *(ptr++) = spi_rxtx_byte(0);  PORTB |= 1; /* -CS up */}

无论是与SRAM芯片通信、对接非易失性闪存控制器、驱动SD存储卡，还是操作乐鑫（Espressif）等厂商推出的低成本WiFi+TCP/IP模组，SPI总线协议栈的核心交互逻辑均高度统一。
值得关注的是，当前主流WiFi模组的应用层协议竟沿用了1980年代Hayes调制解调器的指令体系（经适度现代化改造）。例如，开发者仍可通过经典"AT"指令集发起HTTP请求——这种将复古命令行与现代物联网技术深度融合的设计，堪称嵌入式领域的"复古科技彩蛋"。  

 

原文转载自：https://lcamtuf.substack.com/p/mcu-land-part-2-mysteries-of-the，经过翻译及校验

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审核编辑 黄宇