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_SOFTgpio_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);
#elsegpio_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_PINgpio_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_1EDGEspi2_init.nss                   = SPI_NSS_SOFT;spi2_init.prescale             = SPI_PSC_2;                 // Fspi1=54MHz/32=0.84375MHzspi2_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);elsegpio_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_SOFTSPIx_Master_Write_Byte(ndata,0xFFFFFFFFU);
#elseSPIx_Master_Write_Byte_Hard(ndata,0xFFFFFFFFU);
#endifgpio_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=0gpio_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);
#elseLCD_Fillx(0,0,319,239,&color_temp);
#endifrefresh_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_SOFTSPIx_Init();
#endifNVIC_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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