harmony 鸿蒙SPI

  • 2022-08-09
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SPI

概述

功能简介

SPI指串行外设接口（Serial Peripheral Interface），是一种高速的，全双工，同步的通信总线。SPI是由Motorola公司开发，用于在主设备和从设备之间进行通信。

SPI接口定义了操作SPI设备的通用方法集合，包括：

  • SPI设备句柄获取和释放。

  • SPI读写：从SPI设备读取或写入指定长度数据。

  • SPI自定义传输：通过消息传输结构体执行任意读写组合过程。

  • SPI设备配置：获取和设置SPI设备属性。

运作机制

在HDF框架中，SPI的接口适配模式采用独立服务模式，在这种模式下，每一个设备对象会独立发布一个设备服务来处理外部访问，设备管理器收到API的访问请求之后，通过提取该请求的参数，达到调用实际设备对象的相应内部方法的目的。独立服务模式可以直接借助HDFDeviceManager的服务管理能力，但需要为每个设备单独配置设备节点，若设备过多可能增加内存占用。

独立服务模式下，核心层不会统一发布一个服务供上层使用，因此这种模式下驱动要为每个控制器发布一个服务，具体表现为：

  • 驱动适配者需要实现HdfDriverEntry的Bind钩子函数以绑定服务。

  • device_info.hcs文件中deviceNode的policy字段为1或2，不能为0。

图 1 SPI独立服务模式结构图

SPI独立服务模式结构图

SPI模块各分层作用：

  • 接口层提供打开SPI设备、SPI写数据、SPI读数据、SPI传输、配置SPI设备属性、获取SPI设备属性、关闭SPI设备的接口。

  • 核心层主要提供SPI控制器的添加、移除以及管理的能力，通过钩子函数与适配层交互。

  • 适配层主要是将钩子函数的功能实例化，实现具体的功能。

SPI以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或者多个从设备。主设备和从设备之间一般用4根线相连，它们分别是：

  • SCLK：时钟信号，由主设备产生；

  • MOSI：主设备数据输出，从设备数据输入；

  • MISO：主设备数据输入，从设备数据输出；

  • CS：片选，从设备使能信号，由主设备控制。

一个主设备和两个从设备的连接示意图如图2所示，Device A和Device B共享主设备的SCLK、MISO和MOSI三根引脚，Device A的片选CS0连接主设备的CS0，Device B的片选CS1连接主设备的CS1。

图 2 SPI主从设备连接示意图

SPI主从设备连接示意图

  • SPI通信通常由主设备发起，通过以下步骤完成一次通信：

    1. 通过CS选中要通信的从设备，在任意时刻，一个主设备上最多只能有一个从设备被选中。

    2. 通过SCLK给选中的从设备提供时钟信号。

    3. 基于SCLK时钟信号，主设备数据通过MOSI发送给从设备，同时通过MISO接收从设备发送的数据，完成通信。

  • 根据SCLK时钟信号的CPOL（Clock Polarity，时钟极性）和CPHA（Clock Phase，时钟相位）的不同组合，SPI有以下四种工作模式：

    • CPOL=0，CPHA=0 时钟信号idle状态为低电平，第一个时钟边沿采样数据。

    • CPOL=0，CPHA=1 时钟信号idle状态为低电平，第二个时钟边沿采样数据。

    • CPOL=1，CPHA=0 时钟信号idle状态为高电平，第一个时钟边沿采样数据。

    • CPOL=1，CPHA=1 时钟信号idle状态为高电平，第二个时钟边沿采样数据。

约束与限制

SPI模块当前只支持主机模式，不支持从机模式。

使用指导

场景介绍

SPI通常用于与闪存、实时时钟、传感器以及模数/数模转换器等支持SPI协议的设备进行通信。

接口说明

SPI模块提供的主要接口如表1所示，具体API详见//drivers/hdf_core/framework/include/platform/spi_if.h。

表 1 SPI驱动API接口功能介绍

接口名 接口描述
DevHandle SpiOpen(const struct SpiDevInfo *info) 获取SPI设备句柄
void SpiClose(DevHandle handle) 释放SPI设备句柄
int32_t SpiRead(DevHandle handle, uint8_t *buf, uint32_t len) 读取指定长度的数据
int32_t SpiWrite(DevHandle handle, uint8_t *buf, uint32_t len) 写入指定长度的数据
int32_t SpiTransfer(DevHandle handle, struct SpiMsg *msgs, uint32_t count) SPI数据传输接口
int32_t SpiSetCfg(DevHandle handle, struct SpiCfg *cfg) 根据指定参数，配置SPI设备
int32_t SpiGetCfg(DevHandle handle, struct SpiCfg *cfg) 获取SPI设备配置参数

使用流程

使用SPI的一般流程如下图所示。

图 3 SPI使用流程图

SPI使用流程图

获取SPI设备句柄

在使用SPI进行通信时，首先要调用SpiOpen获取SPI设备句柄，该函数会返回指定总线号和片选号的SPI设备句柄。

DevHandle SpiOpen(const struct SpiDevInfo *info);

表 2 SpiOpen参数和返回值描述

参数 参数描述
info 结构体类型，SPI设备描述符
返回值 返回值描述
NULL 获取SPI设备句柄失败
设备句柄 获取对应的SPI设备句柄成功

假设系统中的SPI设备总线号为0，片选号为0，获取该SPI设备句柄的示例如下：

struct SpiDevInfo spiDevinfo;       // SPI设备描述符
DevHandle spiHandle = NULL;         // SPI设备句柄
spiDevinfo.busNum = 0;              // SPI设备总线号
spiDevinfo.csNum = 0;               // SPI设备片选号

// 获取SPI设备句柄
spiHandle = SpiOpen(&spiDevinfo);
if (spiHandle == NULL) {
    HDF_LOGE("SpiOpen: spi open fail!\n");
    return HDF_FAILURE;
}

获取SPI设备属性

在获取到SPI设备句柄之后，需要配置SPI设备属性。配置SPI设备属性之前，可以先获取SPI设备属性，获取SPI设备属性的函数如下所示：

int32_t SpiGetCfg(DevHandle handle, struct SpiCfg *cfg);

表 3 SpiGetCfg参数和返回值描述

参数 参数描述
handle DevHandle类型，SPI设备句柄
cfg 结构体指针类型，SPI设备配置参数
返回值 返回值描述
HDF_SUCCESS 获取设备属性成功
负数 获取设备属性失败 
int32_t ret;
struct SpiCfg cfg = {0};                // SPI配置信息
ret = SpiGetCfg(spiHandle, &cfg);       // 获取SPI设备属性
if (ret != HDF_SUCCESS) {
    HDF_LOGE("SpiGetCfg: failed, ret %d\n", ret);
    return ret;
}

配置SPI设备属性

在获取到SPI设备句柄之后，需要配置SPI设备属性，配置SPI设备属性的函数如下所示：

int32_t SpiSetCfg(DevHandle handle, struct SpiCfg *cfg);

表 4 SpiSetCfg参数和返回值描述

参数 参数描述
handle DevHandle类型，SPI设备句柄
cfg 结构体指针类型，SPI设备配置参数
返回值 返回值描述
HDF_SUCCESS 配置设备属性成功
负数 配置设备属性失败 
int32_t ret;
struct SpiCfg cfg = {0};                     // SPI配置信息
cfg.mode = SPI_MODE_LOOP;                    // 以回环模式进行通信
cfg.transferMode = PAL_SPI_POLLING_TRANSFER; // 以轮询的方式进行通信
cfg.maxSpeedHz = 115200;                     // 最大传输频率
cfg.bitsPerWord = 8;                         // 读写位宽为8比特
ret = SpiSetCfg(spiHandle, &cfg);            // 配置SPI设备属性
if (ret != HDF_SUCCESS) {
    HDF_LOGE("SpiSetCfg: failed, ret %d\n", ret);
    return ret;
}

进行SPI通信

  • 向SPI设备写入指定长度的数据

    如果只向SPI设备写一次数据，则可以通过以下函数完成：

    int32_t SpiWrite(DevHandle handle, uint8_t *buf, uint32_t len);

    表 5 SpiWrite参数和返回值描述

|参数|参数描述| |——–|——–| |handle|DevHandle类型，SPI设备句柄| |buf|uint8_t类型指针，待写入数据| |len|uint32_t类型，待写入的数据长度| |返回值|返回值描述| |HDF_SUCCESS|写入成功| |负数|写入失败|

```c
int32_t ret;
uint8_t wbuff[4] = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78};
// 向SPI设备写入指定长度的数据
ret = SpiWrite(spiHandle, wbuff, 4);
if (ret != HDF_SUCCESS) {
    HDF_LOGE("SpiWrite: failed, ret %d\n", ret);
    return ret;
}
```

  • 从SPI设备读取指定长度的数据

    如果只读取一次数据，则可以通过以下函数完成：

    int32_t SpiRead(DevHandle handle, uint8_t *buf, uint32_t len);

    表 6 SpiRead参数和返回值描述

|参数|参数描述| |——–|——–| |handle|DevHandle类型，SPI设备句柄| |buf|uint8_t类型指针，待读取数据| |len|uint32_t类型，待读取的数据长度| |返回值|返回值描述| |HDF_SUCCESS|读取成功| |负数|读取失败|

```c
int32_t ret;
uint8_t rbuff[4] = {0};
// 从SPI设备读取指定长度的数据
ret = SpiRead(spiHandle, rbuff, 4);
if (ret != HDF_SUCCESS) {
    HDF_LOGE("SpiRead: failed, ret %d\n", ret);
    return ret;
}
```

  • 自定义传输

    如果需要发起一次自定义传输，则可以通过以下函数完成：

    int32_t SpiTransfer(DevHandle handle, struct SpiMsg *msgs, uint32_t count);

    表 7 SpiTransfer参数和返回值描述

|参数|参数描述| |——–|——–| |handle|DevHandle类型，SPI设备句柄| |msgs|结构体指针，待传输数据的数组| |count|uint32_t类型，msgs数组长度| |返回值|返回值描述| |HDF_SUCCESS|传输执行成功| |负数|传输执行失败|

```c
int32_t ret;
uint8_t wbuff[1] = {0x12};
uint8_t rbuff[1] = {0};
struct SpiMsg msg;        // 自定义传输的消息
msg.wbuf = wbuff;         // 写入的数据
msg.rbuf = rbuff;         // 读取的数据
msg.len = 1;              // 读取、写入数据的长度都是1
msg.csChange = 1;         // 进行下一次传输前关闭片选
msg.delayUs = 0;          // 进行下一次传输前不进行延时
msg.speed = 115200;       // 本次传输的速度
// 进行一次自定义传输，传输的msg个数为1
ret = SpiTransfer(spiHandle, &msg, 1);
if (ret != HDF_SUCCESS) {
    HDF_LOGE("SpiTransfer: failed, ret %d\n", ret);
    return ret;
}
```

销毁SPI设备句柄

SPI通信完成之后，需要销毁SPI设备句柄，销毁SPI设备句柄的函数如下所示：

void SpiClose(DevHandle handle);

该函数会释放掉申请的资源。

表 8 SpiClose参数描述

参数 参数描述
handle DevHandle类型，SPI设备句柄 
SpiClose(spiHandle); // 销毁SPI设备句柄

使用实例

本例拟对Hi3516DV300开发板上SPI设备进行操作。

SPI设备完整的使用示例如下所示，首先获取SPI设备句柄，然后配置SPI设备属性，接着调用读写接口进行数据传输，最后销毁SPI设备句柄。

#include "hdf_log.h"
#include "spi_if.h"

void SpiTestSample(void)
{
    int32_t ret;
    struct SpiCfg cfg;                      // SPI配置信息
    struct SpiDevInfo spiDevinfo;           // SPI设备描述符
    DevHandle spiHandle = NULL;             // SPI设备句柄
    struct SpiMsg msg;                      // 自定义传输的消息
    uint8_t rbuff[4] = { 0 };
    uint8_t wbuff[4] = { 0x12, 0x34, 0x56, 0x78 };
    uint8_t wbuff2[4] = { 0xa1, 0xb2, 0xc3, 0xd4 };

    spiDevinfo.busNum = 0;                  // SPI设备总线号
    spiDevinfo.csNum = 0;                   // SPI设备片选号
    spiHandle = SpiOpen(&spiDevinfo);       // 根据spiDevinfo获取SPI设备句柄
    if (spiHandle == NULL) {
        HDF_LOGE("SpiTestSample: spi open fail!\n");
        return;
    }
    // 获取SPI设备属性
    ret = SpiGetCfg(spiHandle, &cfg);
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("SpiTestSample: spi get cfg fail, ret:%d!\n", ret);
        goto err;
    }
    cfg.maxSpeedHz = 115200;                // 将最大时钟频率改为115200
    cfg.bitsPerWord = 8;                    // 传输位宽改为8比特
    // 配置SPI设备属性
    ret = SpiSetCfg(spiHandle, &cfg);
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("SpiTestSample: spi set cfg fail, ret:%d!\n", ret);
        goto err;
    }
    /* 向SPI设备写入指定长度的数据 */
    ret = SpiWrite(spiHandle, wbuff, 4);
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("SpiTestSample: spi write fail, ret:%d!\n", ret);
        goto err;
    }
    /* 从SPI设备读取指定长度的数据 */
    ret = SpiRead(spiHandle, rbuff, 4);
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("SpiTestSample: spi read fail, ret:%d!\n", ret);
        goto err;
    }
    msg.wbuf = wbuff2;                      // 写入的数据
    msg.rbuf = rbuff;                       // 读取的数据
    msg.len = 4;                            // 读取写入数据的长度为4
    msg.keepCs = 0;                         // 当前传输完成后是否保持CS活动，1表述保持，0表示关闭CS
    msg.delayUs = 0;                        // 进行下一次传输前不进行延时
    msg.speed = 115200;                     // 本次传输的速度
    // 进行一次自定义传输，传输的msg个数为1
    ret = SpiTransfer(spiHandle, &msg, 1);
    if (ret != HDF_SUCCESS) {
        HDF_LOGE("SpiTestSample: spi transfer fail, ret:%d!\n", ret);
        goto err;
    }
    HDF_LOGD("SpiTestSample: function tests end!");
err:
    // 销毁SPI设备句柄
    SpiClose(spiHandle);
}

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