[IMX] 10.串行外圍設備接口

代碼鏈接：GitHub - maoxiaoxian/imx

參考資料：

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

SPI協議詳解 - bujidao1128 - 博客園

SPI總線協議及SPI時序圖詳解 - Ady Lee - 博客園

1.SPI 簡介

2.I.MX6U ECSPI 簡介

2.1.控制寄存器 1 - ECSPIx_CONREG

2.2.控制寄存器 2 - ECSPIx_CONFIGREG

2.3.采樣周期 - ECSPIx_PERIODREG

2.4.SPI 時鐘源

2.5.狀態寄存器 - ECSPIx_STATREG

2.6.數據寄存器 - ECSPIx_TXDATA & ECSPIx_RXDATA

3.ICM-20608 簡介

4.硬件連接

1.SPI 簡介

SPI 全稱 Serial Perripheral Interface，即串行外圍設備接口，是一種高速、全雙工的同步通信總線

SPI 以主從方式工作，通常有一個主設備和多個從設備，SPI 一般需要 4 根線，單向傳輸時也可以只使用 3 根線

標準 4 線 SPI (Quad Serial Peripheral Interface) 包含的通信線如下：

CS/SS：Slave Select/Chip Select，片選信號線，選擇需要進行通信的從機設備，SPI 主機無需發送從機的設備地址，直接將相應的從機設備片選信號拉低即可；
SCLK：Serial Clock，串行時鐘，和 I2C 的 SCL 時鐘信號線一樣，為 SPI 通信提供時鐘；
MOSI/SDO：Master Out Slave In/Serial Data Output，主出從入信號線，該數據線僅用于主機向從機發送數據，也就是主機輸出，從機輸入；
MISO/SDI：Master In Slave Out/Serial Data Input，主入從出信號線，該數據線僅用于從機向主機發送數據，也就是主機輸入，從機輸出；

SPI 通信由主機率先發起，主機需要提供時鐘信號，主機通過 SPI 連接多個從機設備的結構如下圖所示：

SCLK 的時鐘信號可配置總線極性 CPOL 和時鐘相位 CPHA

CPOL 配置 SPI 總線的極性，CPHA 配置 SPI 總線的相位

極性直接影響 SPI 總線在空閑時的時鐘信號為高電平還是低電平：

CPOL = 1：表示空閑時為高電平；
CPOL = 0：表示空閑時為低電平；

數據傳輸從跳變沿 (上升沿/下降沿) 開始，如下圖所示：

相位決定 SPI 總線從哪個跳變沿開始采樣數據：

CPHA = 0：表示從第一個跳變沿開始采樣；
CPHA = 1：表示從第二個跳變沿開始采樣；

SPI 總線有四種工作模式，通過串行時鐘極性 CPOL 和相位 CPHA 的組合獲得：

CPOL = 0：串行時鐘空閑狀態為低電平；
CPOL = 1：串行時鐘空閑狀態為高電平，此時可以通過配置時鐘相位 CPHA 選擇具體的傳輸協議；
CPHA = 0：串行時鐘的第一個跳變沿 (上升沿或下降沿) 采集數據；
CPHA = 1：串行時鐘的第二個跳變沿 (上升沿或下降沿) 采集數據；

四種工作模式的時鐘信號如下圖所示：

以 CPOL = 0，CPHA = 0 的工作模式為例，此時 SPI 進行全雙工通信的時序如下圖所示：

SPI 的時序較為簡單，不像 I2C 需要區分寫時序和讀時序 (SPI 為全雙工通信)，圖中，CS 片選信號先拉低，選中要通信的從設備，然后通過 MOSI 和 MISO 這兩根數據線收發數據，MOSI 數據線發出 0xD2 給從設備，同時從設備通過 MISO 數據線向主設備返回 0x66

2.I.MX6U ECSPI 簡介

I.MX6U 自帶的 SPI 外設稱為 ECSPI，全稱 Enhanced Configurable Serial Peripheral Interface

ECSPI 有 64*32 個數據接收 FIFO (RXFIFO) 和 64*32 個數據發送 FIFO (TXFIFO)，ECSPI 的特性如下：

全雙工同步串行通信；
可配置主/從模式；
四個片選信號，支持多從機；
發送和接收都有一個 32x64 的 FIFO；
片選信號 SS/CS，時鐘信號 SCLK 的極性可配置；
支持 DMA 傳輸；

I.MX6U 的 ECSPI 可以工作在主模式或從模式，例程使用主模式

I.MX6U 有 4 個 ECSPI，每個 ECSPI 支持四個硬件片選信號，即一個 ECSPI 可以支持 4 個外設，如果不使用硬件的片選信號則可以支持無數個外設，實驗中不使用硬件片選信號，因為硬件片選信號只能使用指定的片選 IO，軟件片選可以使用任意的 IO

2.1.控制寄存器 1 - ECSPIx_CONREG

BURST_LENGTH[31:24]：突發長度，設置 SPI 突發傳輸的數據長度，單次 SPI 傳輸最大可以發送 2^12bit 個數據，可以設置 0x000~0xFFF，對應 1~2^12bit，一般設置突發長度為一個字節 (8-bit)；
CHANNEL_SELECT[19:18]：SPI 通道選擇，一個 ECSPI 有四個硬件片選信號，每個片選信號為一個硬件通道，使用軟件片選仍需設置 SPI 通道，可設置為 0~3，對應通道 0~3，I.MX6U-ALPHA 開發板上的 ICM-20608 的片選信號接的是 ECSPI3_SS0，即 ECSPI3 的通道 0，所以實驗中設置為 0；
DRCTL[17:16]：控制 SPI 的 SPI_RDY 信號，為 0 時忽略 SPI_RDY 信號，為 1 時 SPI_RDY 信號為邊沿觸發，為 2 時 SPI_DRY 信號為電平觸發；
PRE_DIVIDER[15:12]：SPI 預分頻值，ECSPI 時鐘分頻包含兩部分，該位域設置第一部分，可設置 0~15，對應 1~16 分頻；
POST_DIVIDER[11:8]：SPI 后分頻值，ECSPI 時鐘分頻的第二部分，分頻值為 2^POST_DIVIDER；
CHANNEL_MODE[7:4]：SPI 通道主/從模式設置，CHANNEL_MODE[3:0] 分別對應 SPI 通道 3~0，為 0 時設置為從模式，為 1 時設置為主模式，比如設置為 0x01 表示設置通道 0 為主模式；
SMC[3]：開始模式控制，該位只在主模式有效，為 0 時通過 XCH 位開啟 SPI 突發訪問，為 1 時只要向 TXFIFO 寫入數據就會開啟 SPI 突發訪問；
XCH[2]：該位只在主模式中有效，SMC 位為 0 時該位控制 SPI 突發訪問的開啟和關閉；
HT[1]：HT 模式使能，I.MX6ULL 不支持；
EN[0]：SPI 使能，為 0 關閉 SPI，為 1 使能 SPI；

2.2.控制寄存器 2 - ECSPIx_CONFIGREG

HT_LENGTH[28:24]：設置 HT 模式的消息長度，I.MX6ULL 不支持；
SCLK_CTL[23:20]：設置 SCLK 信號線空閑狀態的電平，SCLK_CTL[3:0] 分別對應通道 3~0，為 0 時 SCLK 空閑狀態為低電平，為 1 時 SCLK 空閑狀態為高電平；
DATA_CTL[19:16]：設置 DATA 信號線空閑狀態的電平，DATA_CTL[3:0] 分別對應通道 3~0，為 0 時 DATA 空閑狀態為高電平，為 1 時 DATA 空閑狀態為低電平；
SS_POL[15:12]：設置 SPI 片選信號的極性，SS_POL[3:0] 分別對應通道 3~0，為 0 時片選信號低電平有效，為 1 時片選信號高電平有效；
SCLK_POL[7:4]：SPI 時鐘信號的極性，即 CPOL，SCLK_POL[3:0] 分別對應通道 3~0，為 0 時 SCLK 高電平有效 (空閑時為低電平)，為 1 時 SCLK 低電平有效 (空閑時為高電平)；
SCLK_PHA[3:0]：SPI 時鐘相位，即 CPHA，SCLK_PHA[3:0] 分別對應通道 3~0，為 0 時串行時鐘的第一個跳變沿 (上升沿或下降沿) 采集數據，為 1 時串行時鐘的第二個跳變沿 (上升沿或下降沿) 采集數據；
通過 SCLK_POL[7:4] 和 SCLK_PHA[3:0] 設置 SPI 的工作模式；

2.3.采樣周期 - ECSPIx_PERIODREG

CSD_CTL[21:16]：片選信號延時控制，設置片選信號和第一個 SPI 時鐘信號之間的時間間隔，范圍為 0~63；
CSRC[15]：SPI 時鐘源選擇，為 0 時選擇 SPI CLK 為 SPI 的時鐘源，為 1 時選擇 32.768KHz 的晶振為 SPI 的時鐘源；
SAMPLE_PERIO[14:0]：采樣周期，可設置為 0~0x7FFF，分別對應 0~32767 個周期；

2.4.SPI 時鐘源

SPI 的時鐘樹節點如下所示：

圖中標號部分的含義如下：

時鐘源選擇，由寄存器 CSCDR2 的 ECSPI_CLK_SEL 位域控制，為 0 選擇 pll3_60m 作為 ECSPI 的時鐘源，為 1 選擇 osc_clk 作為 ECSPI 的時鐘源，實驗中選擇 pll3_60m 作為 ECSPI 的時鐘源；
ECSPI 的時鐘分頻值，由寄存器 CSCDR2 的 ECSPI_CLK_PODF 位域控制，分頻值為 2^ECSPI_CLK_PODF，實驗中設置為 0，即 1 分頻；
最終進入 ECSPI 的時鐘頻率 SPI CLK = 60MHz；

2.5.狀態寄存器 - ECSPIx_STATREG

TC[7]：傳輸完成標志，為 0 表示正在傳輸，為 1 表示傳輸完成；
RO[6]：RXFIFO 溢出標志，為 0 表示 RXFIFO 無溢出，為 1 表示 RXFIFO 溢出;
RF[5]：RXFIFO 空標志位，為 0 表示 RXFIFO 不為空，為 1 表示 RXFIFO 為空；
RDR[4]：RXFIFO 數據請求標志，為 0 表示 RXFIFO 中的數據不大于 RX_THRESHOLD，為 1 表示 RXFIFO 中的數據大于 RX_THRESHOLD；
RR[3]：RXFIFO 就緒標志，為 0 表示 RXFIFO 中沒有數據，為 1 表示 RXFIFO 中至少有一個字的數據；
TF[2]：TXFIFO 滿標志，為 0 表示 TXFIFO 不為滿，為 1 表示 TXFIFO 為滿；
TDR[1]：TXFIFO 數據請求標志，為 0 表示 TXFIFO 中的數據大于 TX_THRESHOLD，為 1 表示 TXFIFO 中的數據不大于 TX_THRESHOLD；
TE[0]：TXFIFO 空標志位，為 0 表示 TXFIFO 中至少有一個字的數據，為 1 表示 TXFIFO 為空；