1)实验平台：正点原子Linux开发板

2)摘自《正点原子I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》

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第二十七章SPI实验

同I2C一样，SPI是很常用的通信接口，也可以通过SPI来连接众多的传感器。相比I2C接口，SPI接口的通信速度很快，I2C最多400KHz，但是SPI可以到达几十MHz。I.MX6U也有4个SPI接口，可以通过这4个SPI接口来连接一些I2C外设。I.MX6U-ALPHA使用SPI3接口连接了一个六轴传感器ICM-20608，本章我们就来学习如何使用I.MX6U的SPI接口来驱动ICM-20608，读取ICM-20608的六轴数据。

27.1 SPI & ICM-20608简介

27.1.1 SPI简介

上一章我们讲解了I2C，I2C是串行通信的一种，只需要两根线就可以完成主机和从机之间的通信，但是I2C的速度最高只能到400KHz，如果对于访问速度要求比价高的话I2C就不适合了。本章我们就来学习一下另外一个和I2C一样广泛使用的串行通信：SPI，SPI全称是Serial Perripheral Interface，也就是串行外围设备接口。SPI是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工的同步通信总线，SPI时钟频率相比I2C要高很多，最高可以工作在上百MHz。SPI以主从方式工作，通常是有一个主设备和一个或多个从设备，一般SPI需要4根线，但是也可以使用三根线(单向传输)，本章我们讲解标准的4线SPI，这四根线如下：

①、CS/SS，Slave Select/Chip Select，这个是片选信号线，用于选择需要进行通信的从设备。I2C主机是通过发送从机设备地址来选择需要进行通信的从机设备的，SPI主机不需要发送从机设备，直接将相应的从机设备片选信号拉低即可。

②、SCK，Serial Clock，串行时钟，和I2C的SCL一样，为SPI通信提供时钟。

③、MOSI/SDO，Master Out Slave In/Serial Data Output，简称主出从入信号线，这根数据线只能用于主机向从机发送数据，也就是主机输出，从机输入。

④、MISO/SDI，Master In Slave Out/Serial Data Input，简称主入从出信号线，这根数据线只能用户从机向主机发送数据，也就是主机输入，从机输出。

SPI通信都是由主机发起的，主机需要提供通信的时钟信号。主机通过SPI线连接多个从设备的结构如图27.1.1.1所示：

SPI有四种工作模式，通过串行时钟极性(CPOL)和相位(CPHA)的搭配来得到四种工作模式：

①、CPOL=0，串行时钟空闲状态为低电平。

②、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)来选择具体的传输协议。

③、CPHA=0，串行时钟的第一个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。

④、CPHA=1，串行时钟的第二个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据。

这四种工作模式如图27.1.1.2所示：

根I2C一样，SPI也是有时序图的，以CPOL=0，CPHA=0这个工作模式为例，SPI进行全双工通信的时序如图27.1.1.3所示：

从图27.1.1.3可以看出，SPI的时序图很简单，不像I2C那样还要分为读时序和写时序，因为SPI是全双工的，所以读写时序可以一起完成。图27.1.1.3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这两根数据线进行收发数据，MOSI数据线发出了0XD2这个数据给从设备，同时从设备也通过MISO线给主设备返回了0X66这个数据。这个就是SPI时序图。

关于SPI就讲解到这里，接下来我们看一下I.MX6U自带的SPI外设：ECSPI。

27.1.2 I.MX6U ECSPI简介

I.MX6U自带的SPI外设叫做ECSPI，全称是Enhanced Configurable Serial Peripheral Interface，别看前面加了个“EC”就以为和标准SPI有啥不同的，起始就是SPI。ECSPI有64x32个接收FIFO(RXFIFO)和64x32个发送FIFO(TXFIFO)，ECSPI特性如下：

①、全双工同步串行接口。

②、可配置的主/从模式。

③、四个片选信号，支持多从机。

④、发送和接收都有一个32x64的FIFO。

⑤、片选信号SS/CS，时钟信号SCLK极性可配置。

⑥、支持DMA。

I.MX6U的ECSPI可以工作在主模式或从模式，本章我们使用主模式，I.MX6U有4个ECSPI，每个ECSPI支持四个片选信号，也就说，如果你要使用ECSPI的硬件片选信号的话，一个ECSPI可以支持4个外设。如果不使用硬件的片选信号就可以支持无数个外设，本章实验我们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，软件片选的话可以使用任意的IO。

我们接下来看一下ECSPI的几个重要的寄存器，首先看一下ECSPIx_CONREG(x=1~4)寄存器，这是ECSPI的配置寄存器，此寄存器结构如图27.1.2.1所示：

寄存器ECSPIx_CONREG各位含义如下：

BURST_LENGTH(bit31:24)：突发长度，设置SPI的突发传输数据长度，在一次SPI发送中最大可以发送2^12bit数据。可以设置0X000~0XFFF，分别对应1~2^12bit。我们一般设置突发长度为一个字节，也就是8bit，BURST_LENGTH=7。

CHANNEL_SELECT(bit19:18)：SPI通道选择，一个ECSPI有四个硬件片选信号，每个片选信号是一个硬件通道，虽然我们本章实验使用的软件片选，但是SPI通道还是要选择的。可设置为0~3，分别对应通道0~3。I.MX6U-ALPHA开发板上的ICM-20608的片选信号接的是ECSPI3_SS0，也就是ECSPI3的通道0，所以本章实验设置为0。

DRCTL(bit17:16)：SPI的SPI_RDY信号控制位，用于设置SPI_RDY信号，为0的话不关心SPI_RDY信号；为1的话SPI_RDY信号为边沿触发；为2的话SPI_DRY是电平触发。

PRE_DIVIDER(bit15:12)：SPI预分频，ECSPI时钟频率使用两步来完成分频，此位设置的是第一步，可设置0~15，分别对应1~16分频。

POST_DIVIDER(bit11:8)：SPI分频值，ECSPI时钟频率的第二步分频设置，分频值为2^POST_DIVIDER。

CHANNEL_MODE(bit7:4)：SPI通道主/从模式设置，CHANNEL_MODE[3:0]分别对应SPI通道3~0，为0的话就是设置为从模式，如果为1的话就是主模式。比如设置为0X01的话就是设置通道0为主模式。

SMC(bit3)：开始模式控制，此位只能在主模式下起作用，为0的话通过XCH位来开启SPI突发访问，为1的话只要向TXFIFO写入数据就开启SPI突发访问。

XCH(bit2)：此位只在主模式下起作用，当SMC为0的话此位用来控制SPI突发访问的开启。

HT(bit1)：HT模式是能位，I.MX6ULL不支持。

EN(bit0)：SPI使能位，为0的话关闭SPI，为1的话使能SPI。

接下来看一下寄存器ECSPIx_CONFIGREG，这个也是ECSPI的控制寄存器，此寄存器结构如图27.1.2.2所示：

寄存器ECSPIx_CONREG用到的重要位如下：

HT_LENGTH(bit28:24)：HT模式下的消息长度设置，I.MX6ULL不支持。

SCLK_CTL(bit23:20)：设置SCLK信号线空闲状态电平，SCLK_CTL[3:0]分别对应通道3~0，为0的话SCLK空闲状态为低电平，为1的话SCLK空闲状态为高电平。

DATA_CTL(bit19:16)：设置DATA信号线空闲状态电平，DATA_CTL[3:0]分别对应通道3~0，为0的话DATA空闲状态为高电平，为1的话DATA空闲状态为低电平。

SS_POL(bit15:12)：设置SPI片选信号极性设置，SS_POL[3:0]分别对应通道3~0，为0的话片选信号低电平有效，为1的话片选信号高电平有效。

SCLK_POL(bit7:4)：SPI时钟信号极性设置，也就是CPOL，SCLK_POL[3:0]分别对应通道3~0，为0的话SCLK高电平有效(空闲的时候为低电平)，为1的话SCLK低电平有效(空闲的时候为高电平)。

SCLK_PHA(bit3:0)：SPI时钟相位设置，也就是CPHA，SCLK_PHA[3:0]分别对应通道3~0，为0的话串行时钟的第一个跳变沿(上升沿或下降沿)采集数据，为1的话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和SCLK_PHA可以设置SPI的工作模式。

接下来看一下寄存器ECSPIx_PERIODREG，这个是ECSPI的采样周期寄存器，此寄存器结构如图27.1.2.3所示：

寄存器ECSPIx_PERIODREG用到的重要位如下：

CSD_CTL(bit21:16)：片选信号延时控制位，用于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(bit15)：SPI时钟源选择，为0的话选择SPI CLK为SPI的时钟源，为1的话选择32.768KHz的晶振为SPI时钟源。我们一般选择SPI CLK作为SPI时钟源，SPI CLK时钟来源如图27.1.2.4所示：

图27.1.2.4中各部分含义如下：

①、这是一个选择器，用于选择根时钟源，由寄存器CSCDR2的位ECSPI_CLK_SEL来控制，为0的话选择pll3_60m作为ECSPI根时钟源。为1的话选择osc_clk作为ECSPI时钟源。本章我们选择pll3_60m作为ECSPI根时钟源。

②、ECSPI时钟分频值，由寄存器CSCDR2的位ECSPI_CLK_PODF开控制，分频值为2^ECSPI_CLK_PODF。本章我们设置为0，也就是1分频。

③、最终进入ECSPI的时钟，也就是SPI CLK=60MHz。

SAMPLE_PERIO：采样周期寄存器，可设置为0~0X7FFF分别对应0~32767个周期。

接下来看一下寄存器ECSPIx_STATREG，这个是ECSPI的状态寄存器，此寄存器结构如图27.1.2.5所示：

寄存器ECSPIx_STATREG用到的重要位如下：

TC(bit7)：传输完成标志位，为0表示正在传输，为1表示传输完成。

RO(bit6)：RXFIFO溢出标志位，为0表示RXFIFO无溢出，为1表示RXFIFO溢出。

RF(bit5)：RXFIFO空标志位，为0表示RXFIFO不为空，为1表示RXFIFO为空。

RDR(bit4)：RXFIFO数据请求标志位，此位为0表示RXFIFO里面的数据不大于RX_THRESHOLD，此位为1的话表示RXFIFO里面的数据大于RX_THRESHOLD。

RR(bit3)：RXFIFO就绪标志位，为0的话RXFIFO没有数据，为1的话表示RXFIFO中至少有一个字的数据。

TF(bit2)：TXFIFO满标志位，为0的话表示TXFIFO不为满，为1的话表示TXFIFO为满。

TDR(bit1)：TXFIFO数据请求标志位，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(bit0)：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。

最后就是两个数据寄存器，ECSPIx_TXDATA和ECSPIx_RXDATA，这两个寄存器都是32位的，如果要发送数据就向寄存器ECSPIx_TXDATA写入数据，读取及存取ECSPIx_RXDATA里面的数据就可以得到刚刚接收到的数据。

关于ECSPI的寄存器就介绍到这里，关于这些寄存器详细的描述，请参考《I.MX6ULL参考手册》第805页的20.7小节。

27.1.3 ICM-20608简介

ICM-20608是InvenSense出品的一款6轴MEMS传感器，包括3轴加速度和3轴陀螺仪。ICM-20608尺寸非常小，只有3x3x0.75mm，采用16P的LGA封装。ICM-20608内部有一个512字节的FIFO。陀螺仪的量程范围可以编程设置，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，±4g，±8g和±16g。陀螺仪和加速度计都是16位的ADC，并且支持I2C和SPI两种协议，使用I2C接口的话通信速度最高可以达到400KHz，使用SPI接口的话通信速度最高可达到8MHz。I.MX6U-ALPHA开发板上的ICM-20608通过SPI接口和I.MX6U连接在一起。ICM-20608特性如下：

①、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。

②、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。

③、用户可编程中断。

④、内部包含512字节的FIFO。

⑤、内部包含一个数字温度传感器。

⑥、耐10000g的冲击。

⑦、支持快速I2C，速度可达400KHz。

⑧、支持SPI，速度可达8MHz。

ICM-20608的3轴方向如图27.1.3.1所示：

ICM-20608的结构框图如图27.1.3.2所示：

如果使用IIC接口的话ICM-20608的AD0引脚决定I2C设备从地址的最后一位，如果AD0为0的话ICM-20608从设备地址是0X68，如果AD0为1的话ICM-20608从设备地址为0X69。本章我们使用SPI接口，跟上一章使用AP3216C一样，ICM-20608也是通过读写寄存器来配置和读取传感器数据，使用SPI接口读写寄存器需要16个时钟或者更多(如果读写操作包括多个字节的话)，第一个字节包含要读写的寄存器地址，寄存器地址最高位是读写标志位，如果是读的话寄存器地址最高位要为1，如果是写的话寄存器地址最高位要为0，剩下的7位才是实际的寄存器地址，寄存器地址后面跟着的就是读写的数据。表27.1.3.1列出了本章实验用到的一些寄存器和位，关于ICM-20608的详细寄存器和位的介绍请参考ICM-20608的寄存器手册：

ICM-20608的介绍就到这里，关于ICM-20608的详细介绍请参考ICM-20608的数据手册和寄存器手册。

27.2硬件原理分析

本试验用到的资源如下：

、指示灯LED0。

、 RGB LCD屏幕。

③、ICM20608

④、串口

ICM-20608是在I.MX6U-ALPHA开发板底板上，原理图如图27.2.1所示：

27.3实验程序编写

本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 1、裸机例程->18_spi。

本章实验在上一章例程的基础上完成，更改工程名字为“icm20608”，然后在bsp文件夹下创建名为“spi”和“icm20608”的文件。在bsp/spi中新建bsp_spi.c和bsp_spi.h这两个文件，在bsp/icm20608中新建bsp_icm20608.c和bsp_icm20608.h这两个文件。bsp_spi.c和bsp_spi.h是I.MX6U的SPI文件，bsp_icm20608.c和bsp_icm20608.h是ICM20608的驱动文件。在bsp_spi.h中输入如下内容：

示例代码27.3.1 bsp_spi.h文件代码

1 #ifndef _BSP_SPI_H

2 #define _BSP_SPI_H

3/***************************************************************

4 Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.

5 文件名 : bsp_spi.h

6 作者 : 左忠凯

7 版本 : V1.0

8 描述 : SPI驱动头文件。

9 其他 : 无

10 论坛 : www.openedv.com

11 日志 : 初版V1.0 2019/1/17 左忠凯创建

12 ***************************************************************/

13 #include "imx6ul.h"

14

15/* 函数声明 */

16void spi_init(ECSPI_Type *base);

17unsignedchar spich0_readwrite_byte(ECSPI_Type *base,

unsignedchar txdata);

18 #endif

文件bsp_spi.h内容很简单，就是函数声明。在文件bsp_spi.c中输入如下内容：

示例代码27.3.2 bsp_spi.c文件代码

/***************************************************************

Copyright © zuozhongkai Co., Ltd. 1998-2019. All rights reserved.

文件名 : bsp_spi.c

作者 : 左忠凯

版本 : V1.0

描述 : SPI驱动文件。

其他 : 无

论坛 : www.openedv.com

日志 : 初版V1.0 2019/1/17 左忠凯创建

***************************************************************/

1 #include "bsp_spi.h"

2 #include "bsp_gpio.h"

3 #include "stdio.h"

4

5/*

6 * @description : 初始化SPI

7 * @param - base : 要初始化的SPI

8 * @return : 无

9 */

10void spi_init(ECSPI_Type *base)

11{

12 /* 配置CONREG寄存器

13 * bit0 : 1 使能ECSPI

14 * bit3 : 1 当向TXFIFO写入数据以后立即开启SPI突发。

15 * bit[7:4]： 0001 SPI通道0主模式，根据实际情况选择，开发板上的

16 * ICM-20608接在SS0上，所以设置通道0为主模式

17 * bit[19:18]: 00 选中通道0(其实不需要，因为片选信号我们我们自己控制)

18 * bit[31:20]: 0x7 突发长度为8个bit。

19 */

20 ase->CONREG =0; /* 先清除控制寄存器 */

21 ase->CONREG |=(1<<0)|(1<<3)|(1<<4)|(7<<20);

22

23 /*

24 * ECSPI通道0设置,即设置CONFIGREG寄存器

25 * bit0: 0 通道0 PHA为0

26 * bit4: 0 通道0 SCLK高电平有效

27 * bit8: 0 通道0片选信号当SMC为1的时候此位无效

28 * bit12: 0 通道0 POL为0

29 * bit16: 0 通道0 数据线空闲时高电平

30 * bit20: 0 通道0 时钟线空闲时低电平

31 */

32 base->CONFIGREG =0; /* 设置通道寄存器 */

33

34 /*

35 * ECSPI通道0设置，设置采样周期

36 * bit[14:0] : 0X2000 采样等待周期，比如当SPI时钟为10MHz的时候

37 * 0X2000就等于1/10000 * 0X2000 = 0.8192ms，也就是

38 * 连续读取数据的时候每次之间间隔0.8ms

39 * bit15 : 0 采样时钟源为SPI CLK

40 * bit[21:16]: 0 片选延时，可设置为0~63

41 */

42 base->PERIODREG =0X2000;/* 设置采样周期寄存器 */

43

44 /*

45 * ECSPI的SPI时钟配置，SPI的时钟源来源于pll3_sw_clk/8=480/8=60MHz

46 * SPI CLK = (SourceCLK / PER_DIVIDER) / (2^POST_DIVEDER)

47 * 比如我们现在要设置SPI时钟为6MHz，那么设置如下：

48 * PER_DIVIDER = 0X9。

49 * POST_DIVIDER = 0X0。

50 * SPI CLK = 60000000/(0X9 + 1) = 60000000=6MHz

51 */

52 base->CONREG &=~((0XF<<12)|(0XF<<8));/* 清除以前的设置 */

53 base->CONREG |=(0X9<<12);/* 设置SPI CLK = 6MHz */

54}

55

56/*

57 * @description : SPI通道0发送/接收一个字节的数据

58 * @param - base : 要使用的SPI

59 * @param – txdata : 要发送的数据

60 * @return : 无

61 */

62unsignedchar spich0_readwrite_byte(ECSPI_Type *base,

unsignedchar txdata)

63{

64 uint32_t spirxdata =0;

65 uint32_t spitxdata = txdata;

66

67 /* 选择通道0 */

68 base->CONREG &=~(3<<18);

69 base->CONREG |=(0<<18);

70

71while((base->STATREG &(1<<0))==0){}/* 等待发送FIFO为空 */

72 base->TXDATA = spitxdata;

73

74 while((base->STATREG &(1<<3))==0){}/* 等待接收FIFO有数据 */

75 spirxdata = base->RXDATA;

76 return spirxdata;

77}