SPI和單片機(jī)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展中的應(yīng)用

江漢大學(xué)文理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)部　鄧乃君　吳　文

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SPI和單片機(jī)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展中的應(yīng)用

江漢大學(xué)文理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)部鄧乃君吳文

【摘要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展，芯片制造成本明顯降低，嵌入式系統(tǒng)在移動(dòng)設(shè)備、數(shù)碼產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。文中基于SPI接口集成外圍單片機(jī)的方法對(duì)嵌入式系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展，詳細(xì)闡述整個(gè)擴(kuò)展方案的結(jié)構(gòu)及工作原理，重點(diǎn)介紹Linux環(huán)境下外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行方法，以期為類似開(kāi)發(fā)程序提供重要參考。

【關(guān)鍵詞】SPI；單片機(jī)技術(shù)；嵌入式系統(tǒng)；擴(kuò)展

近些年，對(duì)各類嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)中，對(duì)系統(tǒng)的存儲(chǔ)、通信需求提出更高的要求。嵌入式產(chǎn)品具有個(gè)性化、人性化的特征，從而受到更多商家和消費(fèi)者的歡迎，促使嵌入式設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)外部接口比較滯后，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)中擴(kuò)展外部設(shè)備有一定的困難。雖然芯片技術(shù)的發(fā)展提供具有強(qiáng)大功能的SOC層，其集成的功能、接口更加豐富，但其開(kāi)發(fā)費(fèi)用、生產(chǎn)成本極高，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中逐漸喪失價(jià)格優(yōu)勢(shì)。與片上系統(tǒng)比較，單片機(jī)的運(yùn)算能力不理想，但其價(jià)格低、開(kāi)發(fā)周期短，能夠基于用戶需求對(duì)其功能進(jìn)行靈活調(diào)整，單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。文中根據(jù)SPI接口、外圍單片機(jī)提出嵌入式系統(tǒng)功能擴(kuò)展方法，通過(guò) SPI在主CPU外圍集成單片機(jī)，借助單片機(jī)完成嵌入式系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。

1　嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展方案及工作原理

嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)展方案的設(shè)備主要包括主CPU、單片機(jī)、外圍設(shè)備三個(gè)部分，主CPU借助SPI接口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)交互數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)已有的IO口、UART等接口擴(kuò)展一系列串口、紅外接口各項(xiàng)外圍設(shè)備。外圍數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后借助SPI總線發(fā)送至主CPU。反之，主CPU想要訪問(wèn)外圍設(shè)備也要借助SPI總線發(fā)送給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)程序完成對(duì)外圍設(shè)備的訪問(wèn)操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

SPI接口也稱為外圍接口，數(shù)據(jù)傳遞速度相比I2C總線更快，能夠?qū)崿F(xiàn)主CPU與多個(gè)外圍器件傳輸數(shù)據(jù)信息的目的。SPI接口工作方式為主從模式，需要設(shè)計(jì)一個(gè)主機(jī)和一個(gè)多個(gè)從器件傳送數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)中，主CPU是以單主單從的模式與外圍單面機(jī)完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。具體應(yīng)用過(guò)中，可以依據(jù)實(shí)際需求通過(guò)SPI總線在外圍集成相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)控制單元，從而集成大量的外圍設(shè)備。因其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的差異，根據(jù)開(kāi)發(fā)的SPI協(xié)議與單片機(jī)固件程序合理調(diào)整外圍設(shè)備，在并未增加大量制造成本和開(kāi)發(fā)工作量的基礎(chǔ)上，完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)功能的擴(kuò)展操作。同時(shí)，外圍控制單片機(jī)能夠?qū)λ屑稍O(shè)備采集的信息進(jìn)行相應(yīng)的前置處理，能夠分擔(dān)主CPU運(yùn)算壓力，提升整個(gè)嵌入系統(tǒng)的響應(yīng)效率。

2　外圍驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)制

本系統(tǒng)所用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基于Linux系統(tǒng)下進(jìn)行設(shè)計(jì)，在Linux系統(tǒng)中，外部設(shè)備被抽象稱作文件，對(duì)文件開(kāi)展的各項(xiàng)操作也是對(duì)外部設(shè)備的操作，上述機(jī)制被稱作虛擬文件系統(tǒng)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接上層用戶程序與機(jī)器硬件的重要接口，能夠屏蔽硬件設(shè)備各項(xiàng)具體操作，把具體的硬件設(shè)備抽象為設(shè)備文件提供給用戶程序，促使應(yīng)用程序能夠像普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備實(shí)施讀寫(xiě)操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要任務(wù)在于對(duì)設(shè)備及資源進(jìn)行釋放，讀取并會(huì)送程序發(fā)出的信息，實(shí)現(xiàn)用戶空間、內(nèi)核空間與物理層之間的數(shù)據(jù)傳遞。Linux環(huán)境下LED驅(qū)動(dòng)程序代碼如下：

#define DEVICE_NAME "leds" //加載模式后，執(zhí)行”cat /proc/devices”命令看到的設(shè)備名稱 //

#define LED_MAJOR 231 /* 主設(shè)備號(hào) //

應(yīng)用程序執(zhí)行ioctl(fd, cmd, arg)時(shí)的第2個(gè)參數(shù) */

#define IOCTL_LED_OFF 1

/* 用于指定LED所用的GPIO引腳 //

static unsigned long led_table [] = {

S3C2410_GPB5,

S3C2410_GPB7,

······

}。

本次設(shè)計(jì)的擴(kuò)展方法，主CPU借助SPI接口與外圍單片機(jī)完成通信。對(duì)外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置SPI通信、單片機(jī)控制兩個(gè)細(xì)節(jié)，把單片機(jī)所集成的外圍設(shè)備與主CPU集成本地設(shè)備中，便于用戶程序進(jìn)行讀寫(xiě)操作。2.1本地系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程

主CPU能夠直接集成本地串口設(shè)備及外圍單片機(jī)擴(kuò)展的串口、IO設(shè)備等驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。從本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ布O(shè)備展開(kāi)的操作直接定義至接口函數(shù)內(nèi)，如果用戶程序訪問(wèn)設(shè)備文件，接口函數(shù)執(zhí)行對(duì)硬件設(shè)備的讀寫(xiě)等操作。如果用戶程序借助串口驅(qū)動(dòng)定義的接口函數(shù)對(duì)本次串口文件展開(kāi)訪問(wèn)操作，驅(qū)動(dòng)核心會(huì)把用戶發(fā)出的請(qǐng)求傳遞至本地串口，通過(guò)該串口驅(qū)動(dòng)底層定義硬件函數(shù)把串口數(shù)據(jù)發(fā)送至硬件設(shè)備，達(dá)到最佳的通信目的。

2.2SPI協(xié)議及外圍擴(kuò)展設(shè)備實(shí)現(xiàn)過(guò)程

SPI協(xié)議就是串行外圍設(shè)備結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器、解碼器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘之間，是需在芯片關(guān)節(jié)占用四根線，是一種高速的，全雙工的通信總線。SPI通信原理比較簡(jiǎn)單，主要包括ss（cs）、sck、sdi、sdo構(gòu)成，基于SCK控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器展開(kāi)數(shù)據(jù)交換操作。因SPI總線接口主要占用微處理器4個(gè)I/O口線，使用SPI總線接口能有限監(jiān)護(hù)電力設(shè)計(jì)，節(jié)省大量常規(guī)電路接口器件及I/O口線，提升整個(gè)設(shè)計(jì)的可靠性。下文介紹SPI子程序設(shè)計(jì)代碼：

//首先定義好I/O口

sbit SDO=P1^0；

sbit SDI=P1^1；

······

sbit ACC_7= ACC^7；

unsigned int SpiRead(unsigned char add)

{

unsigned int datal6；

add&=0x3f；/*6位地址*/

add |=0x80；/*讀取操作碼l0*/

SDO=1；/*發(fā)送1為起始位*/

SCK=0；

for(i=0；<8；i++)/*發(fā)送操作碼和地址*/

{

if(add&0x80==1)

SDO=1；

SCK=0；/*從設(shè)備上升沿接收數(shù)據(jù)*/

add<<= 1；

}

SCK=1；/*從設(shè)備時(shí)鐘線下降沿后發(fā)送數(shù)據(jù)，空讀1位數(shù)據(jù)*/

datal6<<= 1;/*讀16位數(shù)據(jù)*/

{

SCK= 1；

datal6|=0x01；

SCK =0；

datal6< < =1；

return datal6；

}

在單片機(jī)內(nèi)集成的外圍設(shè)備，因主CPU無(wú)法對(duì)其展開(kāi)直接的硬件操作，其訪問(wèn)過(guò)程比較復(fù)雜。SPI通信協(xié)議棧主要包括SPI基本驅(qū)動(dòng)和虛通道協(xié)議棧兩部分，SPI基本驅(qū)動(dòng)協(xié)議中設(shè)定SPI數(shù)據(jù)包純屬速度、糾錯(cuò)方法等協(xié)議，確保SPI數(shù)據(jù)包能夠在主CPU與單片機(jī)進(jìn)行順利傳輸。SPI虛通道協(xié)議棧設(shè)定每一個(gè)外擴(kuò)展設(shè)備的數(shù)據(jù)格式、功能碼等協(xié)議，便于對(duì)SPI數(shù)據(jù)包展開(kāi)解析、封裝操作.

驅(qū)動(dòng)程序虛通道協(xié)議棧作為外圍設(shè)備的硬件驅(qū)動(dòng)在，主要由外擴(kuò)展設(shè)備數(shù)據(jù)處理、重點(diǎn)響應(yīng)等內(nèi)容。上述虛擬硬件驅(qū)動(dòng)通過(guò)調(diào)用協(xié)議棧虛擬的通道實(shí)現(xiàn)在用戶與SPI硬件接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。從單片機(jī)集成的外圍串口來(lái)說(shuō)，這種外圍串口能與本地串口使用同一個(gè)串口驅(qū)動(dòng)核心實(shí)施封裝，虛擬成為與本次串口相同的串口設(shè)備為用戶程序提供服務(wù)。本地串口驅(qū)動(dòng)層能直接執(zhí)行串口硬件范圍操作，該虛擬硬件驅(qū)動(dòng)并不執(zhí)行各項(xiàng)硬件操作，僅調(diào)用協(xié)議棧虛擬的數(shù)據(jù)通道向SPI硬件傳遞數(shù)據(jù)，通過(guò)外圍單片機(jī)完成接收或發(fā)送串口數(shù)據(jù)的目的。

3　結(jié)束語(yǔ)

總之，對(duì)嵌入式系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)中，本次設(shè)計(jì)通過(guò)SPI接口集成外圍單片機(jī)的方法設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展方案，詳細(xì)介紹整個(gè)擴(kuò)展方案的工作原理，重點(diǎn)闡述在Linux環(huán)境下外圍驅(qū)動(dòng)體系的接口及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，這種擴(kuò)展方案成為實(shí)現(xiàn)串口、通信接口等擴(kuò)展功能，對(duì)改善外圍接口資源不足的問(wèn)題做出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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鄧乃君（1993—），男，湖北武漢人，現(xiàn)就讀江漢大學(xué)文理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)部，從事嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究。

作者簡(jiǎn)介：