[嵌入式]GD32F303调试小记(二)之SPI(软件SPI、硬件SPI、硬件SPI+DMA)

前言

目前有一个项目中用到了TFT-LCD，其驱动芯片为ILI9341。为更好的达到显示效果，在最终的代码中我们会使用单片机自带的硬件SPI+DMA模块(由于调试过程中SPI+DMA输出的波形没能驱屏成功，最终只使用GD32的硬件SPI,这里也请在阅读完本文后对这方面有调试经验的大哥给个建议，我会详细的说明其中的现象)，以尽可能的减轻CPU的负荷。不过在前期调试过程中，我们会使用到软件模拟SPI以及单独的硬件SPI。由于我们只是使用SPI与屏显的驱动芯片通信，所以只使用SPI的发送，在接下来的代码演示中，不包含SPI接收。以后如果有机会用到SPI通信的FLASH存储芯片或其他，会再出一个调试文章。(关于驱屏显示和LVGL图形界面库的移植我会另出一篇文章详细介绍，有兴趣的朋友可以耐心等待。)

SPI

一种串行通信总线，包含一根时钟线、一根片选线以及一根或两根数据线。

• 若使用一根数据线代表SPI的TX与RX共用一根线，也就是3线SPI，发送数据与接收数据不能同步进行。
• 若使用两根数据线代表SPI的TX与RX各自单独用一根线，也就是4线SPI，发送数据与接收数据能同步进行。
• 片选线为从设备的SPI通信使能，这样在主机(如单片机)控制的SPI通信总线上可挂载多个可以SPI通信的从设备(这也意味着在多个从设备下片选线也是多个的)。
• 时钟线为SPI通信的速率，就如单片机的晶振，人的心跳一样。数据线上的发送与接收肯定是随着时钟线上电平的跳变而进行。

这里不例举出SPI通信的典型时序图，因为凡是支持的SPI通信的从设备的芯片手册上都会有对应的通信时序，而且在下面的章节中会有实际示波器抓到的波形。

DMA

一个能帮助CPU大大减轻处理压力的助手，这里不多作介绍。

各模块程序编写

在配置前，请确保你已经有一个GD32F303包含其对应标准库的keil工程，工程可使用官方的例程或可按照GD32F303调试小记(零)之工程创建与编译创建。此外，强烈建议身边有个示波器或逻辑分析仪，用于查看我们端口输出的通信波形。

一、时钟配置

• 开启GPIO端口时钟、GPIO引脚复用时钟、DMA时钟和SPI2模块的时钟。

void SystemClock_Reconfig(void)
{
		/* Enable all peripherals clocks you need*/
		rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
		rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
		rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOC);
		rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOD);
		
		rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA0);
		rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA1);
//		rcu_periph_clock_enable(RCU_I2C1);
//		rcu_periph_clock_enable(RCU_ADC0);
//		rcu_periph_clock_enable(RCU_ADC2);
//		rcu_periph_clock_enable(RCU_USART1);
		rcu_periph_clock_enable(RCU_USART2);
		rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI2);
		/* Timer1,2,3,4,5,6,11,12,13 are hanged on APB1,
		 * Timer0,7,8,9,10 			 are hanged on APB2
		 */
		rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER1);	

		rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
}

二、GPIO配置

• 根据上图中手册中对SPI2引脚的描述以及实际电路原理图中的接线，相关IO配置如下：

/* SPIx By Soft Or Hardware */
#define SPI2_SOFT			0		// 1:使用软件SPI				0:使用硬件SPI 这里使用软件SPI初始化屏,硬件SPI刷屏 
#define SPI2_DMA			0		//1:使用硬件SPI+DMA		0:仅使用硬件SPI(使用软件SPI时该宏无意义)

// SPI port and pins definition
#define SPI2_PORT						GPIOB
#define SPI2_SCK_PIN					GPIO_PIN_3
#define SPI2_MISO_PIN					GPIO_PIN_4
#define SPI2_MOSI_PIN					GPIO_PIN_5
#define SPI2_CS_PIN						GPIO_PIN_6 //NSS

// TFT port and pins definition
#define TFT_PORT						GPIOB
#define TFT_RS_PIN						GPIO_PIN_7		//1:发数据 0:发命令
#define TFT_RST_PIN						GPIO_PIN_8		//1:不复位 0:复位	 
#define TFT_BG_PIN						GPIO_PIN_9		//1:亮 		 0:不亮	

void GPIO_Init(void)
{
	/* 使用SW下载,不使用JTAG下载,管脚用作其它功能 */
	gpio_pin_remap_config(GPIO_SWJ_SWDPENABLE_REMAP, ENABLE);
	
#if SPI2_SOFT
	gpio_init(SPI2_PORT, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, SPI2_CS_PIN | SPI2_MOSI_PIN | SPI2_SCK_PIN);	
	gpio_init(SPI2_PORT, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, SPI2_MISO_PIN);
#else
	gpio_pin_remap_config(GPIO_SPI2_REMAP,DISABLE);
	gpio_init(SPI2_PORT, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, SPI2_MOSI_PIN | SPI2_SCK_PIN); // | SPI2_MISO_PIN
	gpio_init(SPI2_PORT, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, SPI2_MISO_PIN);
	gpio_init(SPI2_PORT, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, SPI2_CS_PIN);	

#endif
	/* demo board TFT_LCD I/O */
	gpio_init(TFT_PORT, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, TFT_RST_PIN | TFT_BG_PIN);	
	gpio_init(TFT_PORT, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, TFT_RS_PIN);

}

三、DMA配置

• 由上图可知，SPI2的TX对应DMA1的CH1，SPI2的RX对应DMA1的CH0。
• 由于是驱动屏的，代码里只需要写发送就可以了。

#define SPI2_TX_SIZE	8
uint8_t SPI2TX_Buffer[SPI2_TX_SIZE] = {0};

void DMA_Init(void)
{
	dma_parameter_struct dma_init_SPI2_TX={0};

	dma_deinit(DMA1, DMA_CH1);									//SPI2_TX

	/* initialize DMA1 channel1(SPI2_TX) */						
	dma_init_SPI2_TX.direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL;
	dma_init_SPI2_TX.memory_addr = (uint32_t)SPI2TX_Buffer;
	dma_init_SPI2_TX.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE;
	dma_init_SPI2_TX.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_32BIT;
	dma_init_SPI2_TX.number = SPI2_TX_SIZE;
	dma_init_SPI2_TX.periph_addr = (uint32_t)(&SPI_DATA(SPI2));
	dma_init_SPI2_TX.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE;
	dma_init_SPI2_TX.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_32BIT;
	dma_init_SPI2_TX.priority = DMA_PRIORITY_LOW;
	dma_init(DMA1, DMA_CH1, &dma_init_SPI2_TX);	
	dma_circulation_disable(DMA1, DMA_CH1);
	
	dma_memory_to_memory_disable(DMA1,DMA_CH1);					//SPI2_TX
	/* enable all DMA channels you need */
	dma_channel_disable(DMA1,DMA_CH1);							//SPI2_TX
}

四、SPI配置

• 主机全双工模式、数据位8位、时钟线空闲高电平第2个边沿检测、不适用硬件NSS、SPI波特率为27MHz、数据先发送高位。
• 其中spi2_init.clock_polarity_phase可以换成其它、spi2_init.prescale在最初调试时设置的慢一点如几百kHz。

void SPIx_Init(void)
{
	spi_parameter_struct spi2_init = {0};
  /* deinitilize SPI and the parameters */
  spi_i2s_deinit(SPI2);

	/* SPI2 parameter config */
	spi2_init.device_mode			= SPI_MASTER;
	spi2_init.trans_mode			= SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;
	spi2_init.frame_size			= SPI_FRAMESIZE_8BIT;
	spi2_init.clock_polarity_phase	= SPI_CK_PL_HIGH_PH_2EDGE;		//SPI_CK_PL_HIGH_PH_1EDGE		SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE
	spi2_init.nss					= SPI_NSS_SOFT;
	spi2_init.prescale				= SPI_PSC_2;					// Fspi1=54MHz/32=0.84375MHz
	spi2_init.endian				= SPI_ENDIAN_MSB;
	spi_init(SPI2, &spi2_init);
	
	/* enable SPI2 */
	spi_enable(SPI2);
	/* enable SPI2 DMA channel */
	spi_dma_enable(SPI2,SPI_DMA_TRANSMIT);
//	spi_dma_enable(SPI2,SPI_DMA_RECEIVE);
}

五、SPI写函数

• 使用的芯片不一样或者实现的方法不一样，意味着编写底层代码时也会略有区别。在这一章节中，就是SPI写这个函数的区别。
• 如我文章标题所示，我会列出软件SPI、硬件SPI、硬件SPI+DMA三种方式的底层写函数。

1. 软件SPI写函数

• 软件SPI，说白了就是让CPU去操作IO来模拟SPI波形。
• 我们写一个字节，SCK时钟线翻转8次。数据从高位开始发送，那么就是与上0x80，数据线根据与上0x80后的结果判断当前位是高还是低输出高低电平。这么一帧的操作，我们认为是写一个字节的操作。

void SPI_WriteByte(uint8_t ndata)
{
	uint8_t i;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		gpio_bit_write(SPI2_PORT, SPI2_SCK_PIN, RESET);
		if(ndata&0x80)
			gpio_bit_write(SPI2_PORT, SPI2_MOSI_PIN, SET);
		else
			gpio_bit_write(SPI2_PORT, SPI2_MOSI_PIN, RESET);
		gpio_bit_write(SPI2_PORT, SPI2_SCK_PIN, SET);
		ndata <<= 1;
	}
}

2.硬件SPI写函数

• 硬件SPI，则是让CPU去控制单片机里能输出SPI波形的硬件模块。
• 还记得上面我们初始化配置的SPI2吗，在那里我们已经设置好了SPI2的工作模式，这里我们只需发送读写命令即可。
• 为了保证严格遵循通信的时序，读/写前需查看相关缓存寄存器是否置位。
• 为防止实际情况下意外干扰导致MCU卡死或跑飞，除了必要的看门狗外，任何非必要的while循环里都得有超时跳出机制。
• 这里我虽然进行了读操作，但并没有去处理读的内容，若想有此功能，将读到的值作为函数的返回值即可。这里这么写还有别的用处。

void SPIx_Master_Write_Byte_Hard(uint8_t ndata,uint32_t TimeOut)
{
	uint32_t timeout_t=0;

	timeout_t = TimeOut;

	/* loop while spi tx data register in not emplty */
	while( RESET == spi_i2s_flag_get(SPI2,SPI_FLAG_TBE) )
	{
		if(TimeOut > 0) TimeOut--; 
		else 				break;			
	}
	/* send byte through the SPI2 peripheral */
	spi_i2s_data_transmit(SPI2,ndata);

	while( RESET == spi_i2s_flag_get(SPI2,SPI_FLAG_RBNE))
	{
		if(timeout_t > 0) timeout_t--; 
		else 					break;		
	}		
	spi_i2s_data_receive(SPI2);
}

3.硬件SPI+DMA写函数

• 硬件SPI+DMA，道理与单纯操作硬件SPI一样，不过是变成了DMA去操作硬件SPI模块，而CPU去控制DMA罢了。
• 根据上面我们对DMA1_CH1的配置，当我们把该通道使能就意味着一次数据传输的开始。

void SPIx_Transmit_DMA(uint32_t spi_periph,uint16_t* ndata,uint16_t Size)
{
	if(SPI2 == spi_periph)
	{
		/* TX */
		dma_channel_disable(DMA1,DMA_CH1);	
		
		dma_memory_address_config(DMA1,DMA_CH1,(uint32_t)ndata);
		dma_transfer_number_config(DMA1,DMA_CH1,Size);

		dma_channel_enable(DMA1,DMA_CH1);		
	}
}

六、主函数部分

1. 显示部分

• 这里我们再封装一层，用于切软件SPI和硬件SPI底层函数。

void lcd_wr_byte(uint8_t ndata)   
{		
	gpio_bit_write(TFT_PORT,TFT_RS_PIN,SET);	
	gpio_bit_reset(SPI2_PORT,SPI2_CS_PIN);	//CS=0
#if SPI2_SOFT
	SPIx_Master_Write_Byte(ndata,0xFFFFFFFFU);
#else
	SPIx_Master_Write_Byte_Hard(ndata,0xFFFFFFFFU);
#endif
	gpio_bit_set(SPI2_PORT,SPI2_CS_PIN);	//CS=1
}

• 这里是TFT-LCD刷彩屏部分，大概理解即可。

void LCD_Fillx(uint16_t sx,uint16_t sy,uint16_t ex,uint16_t ey,uint16_t* color)
{          
	uint16_t i;
	uint8_t MSB_8=0,LSB_8=0;
	
	if(sx>ex)
	{
		i	= sx;
		sx = ex;
		ex = i;
	}
	if(sy > ey)
	{
		i	= sy;
		sy = ey;
		ey = i;			
	}

	uint32_t total = (ex - sx + 1)*(ey - sy + 1);
	uint32_t j = 0;		
	LCD_SetCursor(sx,sy,ex,ey);
	lcd_wr_gram();

	for(j = 0;j < total;j++)
	{									   
		lcd_wr_byte((*color)>>8);
		lcd_wr_byte((*color)&0x00FF);
	}
} 

void LCD_Fill_DMA(uint16_t sx,uint16_t sy,uint16_t ex,uint16_t ey,uint16_t* color)
{          
	uint16_t i;
	
	if(sx>ex)
	{
		i	= sx;
		sx = ex;
		ex = i;
	}
	if(sy > ey)
	{
		i	= sy;
		sy = ey;
		ey = i;			
	}

	uint32_t total = (ex - sx + 1)*(ey - sy + 1)*2;
	
	LCD_SetCursor(sx,sy,ex,ey);
	lcd_wr_gram();
	gpio_bit_reset(SPI2_PORT,SPI2_CS_PIN);	//CS=0
	gpio_bit_write(TFT_PORT,TFT_RS_PIN,SET);	
	SPIx_Transmit_DMA(SPI2,color,total);		//(uint16_t*)0xF800		color
}  

2. 任务函数

void TASK_TFT_REFRESH(void)
{
	static uint32_t refresh_count=0;
	static uint16_t color_temp=0;
	
	if(refresh_count%3==0)
		color_temp = 0xF800;
	else if(refresh_count%3==1)
		color_temp = 0x001F;
	else if(refresh_count%3==2)
		color_temp = 0xFFE0;		
#if (SPI2_SOFT==0) && (SPI2_DMA==1)
	LCD_Fill_DMA(0,0,319,239,&color_temp);
#else
	LCD_Fillx(0,0,319,239,&color_temp);
#endif
	refresh_count++;
}

3. 主函数

• 主函数程序逻辑如下：
• TMT是个时间片框架，源码见GITEE，这里我们是让TASK_TFT_REFRESH();这个函数每1.5秒执行一次。主函数理解到此处即可。

int main(void)
{	
	SystemTick_Init();
	
	SystemClock_Reconfig();
	
	GPIO_Init();
	Timer1_Init();
	DMA_Init();
	USARTx_Init();
#if !SPI2_SOFT
	SPIx_Init();
#endif	
	NVIC_Init();
	TMT_Init();
	LCD_Init();
	TMT.Create(TASK_TFT_REFRESH,1500);
	delay_ms(2000);
	while(1)
	{
		TMT.Run();
	}
}

七、结果演示

1. 实际效果

• 最终效果如下，软硬件SPI的区别也就在刷屏速度上，就不单独再加视频了。
  

2. 驱动波形

• 调试过程中，其实这里才是重点，判断我们代码是否配置成功，逻辑是否有误，均需要查看相应IO的输入/输出波形才能明白。

- 软件SPI波形

• 上图中，黄色的波形是SPI的时钟线(SCK)，蓝色是SPI的数据输出线(MOSI)。
• 我们可以清楚的看到SPI波形是以一个字节(8位)为一帧，时钟线翻转8次，发送的数据为0x55(0b01010101)，速率在2.3MHz左右。

- 硬件SPI波形

• 上图，在硬件SPI模拟下，我们可以清楚的看到SPI波形还是以一个字节(8位)为一帧，时钟线翻转8次，发送的数据依然为0x55(0b01010101)，速率在3.5MHz左右。不过硬件的IO响应比CPU软件模拟快，通信时SCK和MOSI的翻转几乎是同时的。
  

• 这个时候我们可以调整硬件SPI的配置，将spi2_init.prescale = SPI_PSC_2; 由于我的单片机是工作在108M的频率下，该配置下SPI2模块频率为27MHz。

• 上图为示波器抓到的波形，可以看到频率为25.64MHz，与配置的差不多。然而时钟线(SCK)的波形已经发生了很明显的畸变。个人认为是由PCB的走线长短、示波器抓取的参考地以及芯片本身该模块内部电路导致的，不过仍能刷屏成功，我也就不在此纠结了。
  

• 多字节的SPI发送时钟线波形如上：

- 硬件SPI+DMA波形

• 上图是使用硬件SPI+DMA的时钟线波形图。
• 我们发现这种情况下的波形是连续的，从某种程度上说，我们的代码配置并没有问题。但是，该连续波形无法驱动我的彩屏，后经反复验证发现，无论是否使用DMA，只要输出的SPI波形为连续的，都无法与TFT彩屏通信上。
• 还记得上面我们怎么写纯硬件SPI的写字节函数吗？

void SPIx_Master_Write_Byte_Hard(uint8_t ndata,uint32_t TimeOut)
{
	uint32_t timeout_t=0;

	timeout_t = TimeOut;

	/* loop while spi tx data register in not emplty */
	while( RESET == spi_i2s_flag_get(SPI2,SPI_FLAG_TBE) )
	{
		if(TimeOut > 0) TimeOut--; 
		else 				break;			
	}
	/* send byte through the SPI2 peripheral */
	spi_i2s_data_transmit(SPI2,ndata);

	while( RESET == spi_i2s_flag_get(SPI2,SPI_FLAG_RBNE))
	{
		if(timeout_t > 0) timeout_t--; 
		else 					break;		
	}		
	spi_i2s_data_receive(SPI2);
}

• 这里我们稍作修改，变成这样：
• 在4线全双工模式下，如果我只用到了发送，不去管接收，实际上也没接收处理什么。

void SPIx_Master_Write_Byte_Hard(uint8_t ndata,uint32_t TimeOut)
{
	uint32_t timeout_t=0;

	timeout_t = TimeOut;

	/* loop while spi tx data register in not emplty */
	while( RESET == spi_i2s_flag_get(SPI2,SPI_FLAG_TBE) )
	{
		if(TimeOut > 0) TimeOut--; 
		else 				break;			
	}
	/* send byte through the SPI2 peripheral */
	spi_i2s_data_transmit(SPI2,ndata);

//	while( RESET == spi_i2s_flag_get(SPI2,SPI_FLAG_RBNE))
//	{
//		if(timeout_t > 0) timeout_t--; 
//		else 					break;		
//	}		
//	spi_i2s_data_receive(SPI2);
}

• 这里我们发现纯硬件SPI发送多字节的情况下时钟线也变成了连续的波形。 而但凡只要硬件上输出的是连续的波形，就会造成与屏通信的不正常。

八、总结与疑问

1. 总结

• 至此，我们最终用上述的这三种方式成功输出了SPI波形。其中两种方式能成功的让屏跑起来，从结果上来说也算是成功了。

2. 疑问

• 网上搜集信息，有人的文章里说SPI波形连续是正常的，而且连续波形反而比不连续的更好，说明SPI模块响应速度更快。
• 所以我想向各位问下：
  1、是否有SPI连续波形通信正常的案例，若有这种案例在哪类模块中比较常见？
  2、现有的SPI通信屏是在时钟翻转8次后稍有停顿就能成功驱屏，那么在GD32中如何在使用硬件SPI+DMA情况下插入短暂的停顿操作？
  3、是否有使用ILI9341使用连续波形SPI四线通信成功的案例，若有能否给予相关建议？
  4、对于该现象，是否是硬件兼容性的问题？是否有的SPI通信模块只支持的帧(8bit或16bit)传输而不支持这种多bit传输？
• 若有相关建议的请在评论区留言即可，相互学习，共同成长。

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