[IMX] 10.串行外围设备接口 - SPI

代码链接：GitHub - maoxiaoxian/imx

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参考资料：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/290620901

SPI协议详解 - bujidao1128 - 博客园

SPI总线协议及SPI时序图详解 - Ady Lee - 博客园

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目录

1.SPI 简介

2.I.MX6U ECSPI 简介

2.1.控制寄存器 1 - ECSPIx_CONREG

2.2.控制寄存器 2 - ECSPIx_CONFIGREG

2.3.采样周期 - ECSPIx_PERIODREG

2.4.SPI 时钟源

2.5.状态寄存器 - ECSPIx_STATREG

2.6.数据寄存器 - ECSPIx_TXDATA & ECSPIx_RXDATA

3.ICM-20608 简介

4.硬件连接

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1.SPI 简介

SPI 全称 Serial Perripheral Interface，即串行外围设备接口，是一种高速、全双工的同步通信总线

SPI 以主从方式工作，通常有一个主设备和多个从设备，SPI 一般需要 4 根线，单向传输时也可以只使用 3 根线

标准 4 线 SPI (Quad Serial Peripheral Interface) 包含的通信线如下：

• CS/SS：Slave Select/Chip Select，片选信号线，选择需要进行通信的从机设备，SPI 主机无需发送从机的设备地址，直接将相应的从机设备片选信号拉低即可；

• SCLK：Serial Clock，串行时钟，和 I2C 的 SCL 时钟信号线一样，为 SPI 通信提供时钟；

• MOSI/SDO：Master Out Slave In/Serial Data Output，主出从入信号线，该数据线仅用于主机向从机发送数据，也就是主机输出，从机输入；

• MISO/SDI：Master In Slave Out/Serial Data Input，主入从出信号线，该数据线仅用于从机向主机发送数据，也就是主机输入，从机输出；

SPI 通信由主机率先发起，主机需要提供时钟信号，主机通过 SPI 连接多个从机设备的结构如下图所示：

SCLK 的时钟信号可配置总线极性 CPOL 和时钟相位 CPHA

CPOL 配置 SPI 总线的极性，CPHA 配置 SPI 总线的相位

极性直接影响 SPI 总线在空闲时的时钟信号为高电平还是低电平：

• CPOL = 1：表示空闲时为高电平；

• CPOL = 0：表示空闲时为低电平；

数据传输从跳变沿 (上升沿/下降沿) 开始，如下图所示：

相位决定 SPI 总线从哪个跳变沿开始采样数据：

• CPHA = 0：表示从第一个跳变沿开始采样；

• CPHA = 1：表示从第二个跳变沿开始采样；

SPI 总线有四种工作模式，通过串行时钟极性 CPOL 和相位 CPHA 的组合获得：

• CPOL = 0：串行时钟空闲状态为低电平；

• CPOL = 1：串行时钟空闲状态为高电平，此时可以通过配置时钟相位 CPHA 选择具体的传输协议；

• CPHA = 0：串行时钟的第一个跳变沿 (上升沿或下降沿) 采集数据；

• CPHA = 1：串行时钟的第二个跳变沿 (上升沿或下降沿) 采集数据；

四种工作模式的时钟信号如下图所示：

以 CPOL = 0，CPHA = 0 的工作模式为例，此时 SPI 进行全双工通信的时序如下图所示：

SPI 的时序较为简单，不像 I2C 需要区分写时序和读时序 (SPI 为全双工通信)，图中，CS 片选信号先拉低，选中要通信的从设备，然后通过 MOSI 和 MISO 这两根数据线收发数据，MOSI 数据线发出 0xD2 给从设备，同时从设备通过 MISO 数据线向主设备返回 0x66

2.I.MX6U ECSPI 简介

I.MX6U 自带的 SPI 外设称为 ECSPI，全称 Enhanced Configurable Serial Peripheral Interface

ECSPI 有 64*32 个数据接收 FIFO (RXFIFO) 和 64*32 个数据发送 FIFO (TXFIFO)，ECSPI 的特性如下：

• 全双工同步串行通信；

• 可配置主/从模式；

• 四个片选信号，支持多从机；

• 发送和接收都有一个 32x64 的 FIFO；

• 片选信号 SS/CS，时钟信号 SCLK 的极性可配置；

• 支持 DMA 传输；

I.MX6U 的 ECSPI 可以工作在主模式或从模式，例程使用主模式

I.MX6U 有 4 个 ECSPI，每个 ECSPI 支持四个硬件片选信号，即一个 ECSPI 可以支持 4 个外设，如果不使用硬件的片选信号则可以支持无数个外设，实验中不使用硬件片选信号，因为硬件片选信号只能使用指定的片选 IO，软件片选可以使用任意的 IO

2.1.控制寄存器 1 - ECSPIx_CONREG

• BURST_LENGTH[31:24]：突发长度，设置 SPI 突发传输的数据长度，单次 SPI 传输最大可以发送 2^12bit 个数据，可以设置 0x000~0xFFF，对应 1~2^12bit，一般设置突发长度为一个字节 (8-bit)；

• CHANNEL_SELECT[19:18]：SPI 通道选择，一个 ECSPI 有四个硬件片选信号，每个片选信号为一个硬件通道，使用软件片选仍需设置 SPI 通道，可设置为 0~3，对应通道 0~3，I.MX6U-ALPHA 开发板上的 ICM-20608 的片选信号接的是 ECSPI3_SS0，即 ECSPI3 的通道 0，所以实验中设置为 0；

• DRCTL[17:16]：控制 SPI 的 SPI_RDY 信号，为 0 时忽略 SPI_RDY 信号，为 1 时 SPI_RDY 信号为边沿触发，为 2 时 SPI_DRY 信号为电平触发；

• PRE_DIVIDER[15:12]：SPI 预分频值，ECSPI 时钟分频包含两部分，该位域设置第一部分，可设置 0~15，对应 1~16 分频；

• POST_DIVIDER[11:8]：SPI 后分频值，ECSPI 时钟分频的第二部分，分频值为 2^POST_DIVIDER；

• CHANNEL_MODE[7:4]：SPI 通道主/从模式设置，CHANNEL_MODE[3:0] 分别对应 SPI 通道 3~0，为 0 时设置为从模式，为 1 时设置为主模式，比如设置为 0x01 表示设置通道 0 为主模式；

• SMC[3]：开始模式控制，该位只在主模式有效，为 0 时通过 XCH 位开启 SPI 突发访问，为 1 时只要向 TXFIFO 写入数据就会开启 SPI 突发访问；

• XCH[2]：该位只在主模式中有效，SMC 位为 0 时该位控制 SPI 突发访问的开启和关闭；

• HT[1]：HT 模式使能，I.MX6ULL 不支持；

• EN[0]：SPI 使能，为 0 关闭 SPI，为 1 使能 SPI；

2.2.控制寄存器 2 - ECSPIx_CONFIGREG

• HT_LENGTH[28:24]：设置 HT 模式的消息长度，I.MX6ULL 不支持；

• SCLK_CTL[23:20]：设置 SCLK 信号线空闲状态的电平，SCLK_CTL[3:0] 分别对应通道 3~0，为 0 时 SCLK 空闲状态为低电平，为 1 时 SCLK 空闲状态为高电平；

• DATA_CTL[19:16]：设置 DATA 信号线空闲状态的电平，DATA_CTL[3:0] 分别对应通道 3~0，为 0 时 DATA 空闲状态为高电平，为 1 时 DATA 空闲状态为低电平；

• SS_POL[15:12]：设置 SPI 片选信号的极性，SS_POL[3:0] 分别对应通道 3~0，为 0 时片选信号低电平有效，为 1 时片选信号高电平有效；

• SCLK_POL[7:4]：SPI 时钟信号的极性，即 CPOL，SCLK_POL[3:0] 分别对应通道 3~0，为 0 时 SCLK 高电平有效 (空闲时为低电平)，为 1 时 SCLK 低电平有效 (空闲时为高电平)；

• SCLK_PHA[3:0]：SPI 时钟相位，即 CPHA，SCLK_PHA[3:0] 分别对应通道 3~0， 为 0 时串行时钟的第一个跳变沿 (上升沿或下降沿) 采集数据，为 1 时串行时钟的第二个跳变沿 (上升沿或下降沿) 采集数据；

• 通过 SCLK_POL[7:4] 和 SCLK_PHA[3:0] 设置 SPI 的工作模式；

2.3.采样周期 - ECSPIx_PERIODREG

• CSD_CTL[21:16]：片选信号延时控制，设置片选信号和第一个 SPI 时钟信号之间的时间间隔，范围为 0~63；

• CSRC[15]：SPI 时钟源选择，为 0 时选择 SPI CLK 为 SPI 的时钟源，为 1 时选择 32.768KHz 的晶振为 SPI 的时钟源；

• SAMPLE_PERIO[14:0]：采样周期，可设置为 0~0x7FFF，分别对应 0~32767 个周期；

2.4.SPI 时钟源

SPI 的时钟树节点如下所示：

图中标号部分的含义如下：

1. 时钟源选择，由寄存器 CSCDR2 的 ECSPI_CLK_SEL 位域控制，为 0 选择 pll3_60m 作为 ECSPI 的时钟源，为 1 选择 osc_clk 作为 ECSPI 的时钟源，实验中选择 pll3_60m 作为 ECSPI 的时钟源；

2. ECSPI 的时钟分频值，由寄存器 CSCDR2 的 ECSPI_CLK_PODF 位域控制，分频值为 2^ECSPI_CLK_PODF，实验中设置为 0，即 1 分频；

3. 最终进入 ECSPI 的时钟频率 SPI CLK = 60MHz；

2.5.状态寄存器 - ECSPIx_STATREG

• TC[7]：传输完成标志，为 0 表示正在传输，为 1 表示传输完成；

• RO[6]：RXFIFO 溢出标志，为 0 表示 RXFIFO 无溢出，为 1 表示 RXFIFO 溢出;

• RF[5]：RXFIFO 空标志位，为 0 表示 RXFIFO 不为空，为 1 表示 RXFIFO 为空；

• RDR[4]：RXFIFO 数据请求标志，为 0 表示 RXFIFO 中的数据不大于 RX_THRESHOLD，为 1 表示 RXFIFO 中的数据大于 RX_THRESHOLD；

• RR[3]：RXFIFO 就绪标志，为 0 表示 RXFIFO 中没有数据，为 1 表示 RXFIFO 中至少有一个字的数据；

• TF[2]：TXFIFO 满标志，为 0 表示 TXFIFO 不为满，为 1 表示 TXFIFO 为满；

• TDR[1]：TXFIFO 数据请求标志，为 0 表示 TXFIFO 中的数据大于 TX_THRESHOLD，为 1 表示 TXFIFO 中的数据不大于 TX_THRESHOLD；

• TE[0]：TXFIFO 空标志位，为 0 表示 TXFIFO 中至少有一个字的数据，为 1 表示 TXFIFO 为空；

2.6.数据寄存器 - ECSPIx_TXDATA & ECSPIx_RXDATA

Tx 和 Rx 的数据寄存器均为 32-bit 长度，如下所示：

 

3.ICM-20608 简介

ICM-20608 是一款 6 轴 MEMS 传感器，包括 3 轴加速度和 3 轴陀螺仪，其内部有一个 512 字节的 FIFO

陀螺仪的量程范围可编程设置，可选择 ±250，±500，±1000 和 ±2000°/s， 加速度的量程范围也可以编程设置，可选择 ±2g，±4g，±8g 和 ±16g

陀螺仪和加速度计均为 16 位的 ADC，且支持 I2C 和 SPI 两种协议，使用 I2C 接口时通信速度最高可达 400KHz，使用 SPI 接口时通信速度最高可达 8MHz

I.MX6U-ALPHA 开发板上的 ICM-20608 通过 SPI 接口与 SoC 连接，ICM-20608 的特性如下：

• 陀螺仪支持 X、Y 和 Z 三轴输出，内部集成 16 位 ADC，测量范围可设置：±250，± 500，±1000 和 ±2000°/s；

• 加速度计支持 X、Y 和 Z 轴输出，内部集成 16 位 ADC，测量范围可设置：±2g，±4g， ±4g，±8g 和 ±16g；

• 用户可编程中断；

• 内部包含 512 字节的 FIFO；

• 内部包含一个数字温度传感器；

• 耐 10000g 的冲击；

• 支持快速 I2C，速度可达 400KHz；

• 支持 SPI，速度可达 8MHz；

ICM-20608 的 3 轴方向如下图所示：

ICM-20608 的结构框图如下图所示：

使用 I2C 接口时 ICM-20608 的 AD0 引脚决定 I2C 设备从地址的最后一位，AD0 为 0 则 ICM-20608 的从设备地址为 0x68，AD0 为 1 则 ICM-20608 的从设备地址为 0x69

实验使用 SPI 接口，ICM-20608 通过读写寄存器进行配置和传感器数据读取，使用 SPI 接口读写寄存器时至少需要 16 个时钟信号或更多 (如果读写操作包括多个字节)：

• 第一个字节包含要读写的寄存器地址，寄存器地址的最高位是读写标志位，读取时最高位为 1，写入时最高位为 0，剩下的 7 位是实际的寄存器地址；

• 寄存器地址后面跟着的就是要读写的数据；

实验中使用的 ICM-20608 的寄存器和相关位域如下图所示：

4.硬件连接