SPI AT 指南¶
本文档主要介绍 SPI AT 的实现与使用，主要涉及以下几个方面：
注解
本文档仅介绍 ESP32C、ESP32S 系列的 ESP 设备的 SPI AT 的实现与应用，ESP32 系列的 ESP 设备的 SPI AT 相关介绍请参考 ESP32 SPI AT。
简介¶
SPI AT 基于 AT 工程，使用 SPI 协议进行数据通信。在使用 SPI AT 时，MCU 设备作为 SPI master，ESP 设备作为 SPI slave，通信双方通过 SPI 协议实现基于 AT 命令的数据交互。
使用 SPI AT 的优势¶
AT 工程默认使用 UART 协议进行数据通信， 但是 UART 协议在一些需要高速传输数据的应用场景并不适用，因此，使用支持更高传输速率的 SPI 协议传输数据成为一种较好的选择。
如何启用 SPI AT？¶
您可以通过下述步骤配置并启用 SPI AT：
- 通过
./build.py menuconfig->Component config->AT->communicate method for AT command->AT through HSPI使能 SPI AT。 - 通过
./build.py menuconfig->Component config->AT->communicate method for AT command->AT SPI Data Transmission Mode选择 SPI 数据传输模式。 - 通过
./build.py menuconfig->Component config->AT->communicate method for AT command->AT SPI GPIO settings配置 SPI 使用的 GPIO 管脚。 - 通过
./build.py menuconfig->Component config->AT->communicate method for AT command->AT SPI driver settings选择 SPI 从机的工作模式，并配置相关缓存区的大小。 - 重新编译
esp-at工程（参考 Build Your Own ESP-AT Project）, 烧录新的固件并运行。
SPI AT 默认管脚¶
下表给出了不同系列的 ESP 设备使用 SPI AT 时默认的硬件管脚：
| Signal | GPIO Number (ESP32-C3) | GPIO Number (ESP32-S2) |
|---|---|---|
| SCLK | 6 | 12 |
| MISO | 2 | 13 |
| MOSI | 7 | 11 |
| CS | 10 | 10 |
| HANDSHAKE | 3 | 5 |
| GND | GND | GND |
| QUADWP (qio/qout):sup:1 | 8 | 16 |
| QUADHD (qio/qout):sup:1 | 9 | 17 |
说明 1：QUADWP 引脚和 QUADHD 引脚仅在使用 4 线 SPI 工作时使用。
您可以通过 ./build.py menuconfig > Component config > AT > communicate method for AT command > AT through HSPI > AT SPI GPIO settings，然后编译工程来配置 SPI AT 对应的管脚（参考 Build Your Own ESP-AT Project）。
使用 SPI AT¶
在使用 SPI AT 时，ESP 设备上运行的 SPI slave 工作在半双工通信模式下。通常，在使用 SPI 协议进行半双工通信时，由 SPI master 启动对 SPI slave 的读/写操作，但是，使用 AT 命令进行数据交互时，需要 ESP 设备主动能够主动上报一些信息。因此，我们在 SPI master 和 slave 之间添加了一个握手线，来实现 slave 主动向 master 上报信息的功能。使用握手线的具体方法为：
- Master 向 slave 发送 AT 数据时，使用握手线的方法为：
- master 向 slave 发送请求传输数据的请求，然后等待 slave 向握手线发出的允许发送数据的信号。
- master 检测到握手线上的 slave 发出的允许发送的信号后，开始发送数据。
- master 发送数据后，通知 slave 数据发送结束。
- Master 接收 slave 发送的 AT 数据时，使用握手线的方法为：
- slave 通过握手线通知 master 开始接收数据。
- master 接收数据，并在接收所有数据后，通知 slave 数据已经全部接收。
通信格式¶
SPI AT 的通信格式为 CMD+ADDR+DUMMY+DATA（读/写）。在使用 SPI AT 时，SPI master 使用到的一些通信报文介绍如下：
- Master 向 slave 发送数据时的通信报文：
| CMD (1 byte) | ADDR (1 byte) | DUMMY (1 byte) | DATA (Up to 4092 bytes) |
|---|---|---|---|
| 0x3 | 0x0 | 0x0 | data_buffer |
- Master 向 slave 发送数据结束后，需要发送一条通知消息来结束本次传输，具体的通信报文为：
| CMD (1 byte) | ADDR (1 byte) | DUMMY (1 byte) | DATA |
|---|---|---|---|
| 0x7 | 0x0 | 0x0 | null |
- Master 接收 slave 发送的数据时的通信报文：
| CMD (1 byte) | ADDR (1 byte) | DUMMY (1 byte) | DATA (Up to 4092 bytes) |
|---|---|---|---|
| 0x4 | 0x0 | 0x0 | data_buffer |
- Master 接收 slave 发送的数据后，需要发送一条通知消息来结束本次传输，具体的通信报文为：
| CMD (1 byte) | ADDR (1 byte) | DUMMY (1 byte) | DATA |
|---|---|---|---|
| 0x8 | 0x0 | 0x0 | null |
- Master 向 slave 发送请求传输指定大小数据的通信报文：
| CMD (1 byte) | ADDR (1 byte) | DUMMY (1 byte) | DATA (4 bytes) |
|---|---|---|---|
| 0x1 | 0x0 | 0x0 | data_info |
其中 4 字节的 data_info 中包含了本次请求传输数据的数据包信息，具体格式如下：
- Master 向 slave 发送的数据的字节数，长度 0～15 bit。
- Master 向 slave 发送的数据包的序列号，该序列号在 master 每次发送时递增，长度 16～23 bit。
- Magic 值，长度 24～31 bit，固定为 0xFE。
- Master 检测到握手线上有 slave 发出的信号后，需要发送一条消息查询 slave 进入接收数据的工作模式，还是进入到发送数据的工作模式，具体的通信报文为：
| CMD (1 byte) | ADDR (1 byte) | DUMMY (1 byte) | DATA (4 bytes) |
|---|---|---|---|
| 0x2 | 0x4 | 0x0 | slave_status |
发送查询请求后，slave 返回的状态信息将存储在 4 字节的 slave_status 中，其具体的格式如下：
- slave 需要向 master 发送的数据的字节数，长度 0～15 bit；仅当 slave 处于可读状态时，该字段数字有效。
- 数据包序列号，长度 16～23 bit，当序列号达到最大值 0xFF 时，下一个数据包的序列号重新设置为 0x0。当 slave 处于可写状态时，该字段为 master 需向 slave 发送的下一下数据包的序列号；当 slave 处于可读状态时，该字段为 slave 向 master 发送的下一个数据包的序列号。
- slave 的可读/可写状态，长度 24～31 bit。
SPI AT 数据交互流程¶
SPI AT 数据交互流程主要分为两个方面：
- SPI master 向 slave 发送 AT 指令 ：
| SPI master | | SPI slave |
| |
| -------step 1: request to send----> |
| |
| <------step 2: GPIO interrupt------ |
| |
| -------step 3: read slave status--> |
| |
| -------step 4: send data----------> |
| |
| -------step 5: send done----------> |
每个步骤具体的说明如下：
- master 向 slave 发送请求向 slave 写数据的请求。
- slave 接收 master 的发送请求，若此时 slave 允许接收数据，则向 slave_status 寄存器写入允许 master 写入的标志位，然后通过握手线触发 master 上的 GPIO 中断。
- master 接收到中断后，读取 slave 的 slave_status 寄存器，检测到 slave 进入接收数据的状态。
- master 开始向 slave 发送数据。
- 发送数据结束后，master 向 slave 发送一条代表发送结束的消息。
- SPI slave 向 master 发送 AT 响应：
| SPI master | | SPI slave |
| |
| <------step 1: GPIO interrupt------ |
| |
| -------step 2: read slave status--> |
| |
| <------step 3: send data----------- |
| |
| -------step 4: receive done-------> |
每个步骤具体的说明如下：
- slave 向 slave_status 寄存器写入允许 master 读取来自 slave 的数据的标志位,然后通过握手线触发 master 上的 GPIO 中断。
- master 接收到中断后，读取 slave 的 slave_status 寄存器，检测到 slave 进入发送数据的状态。
- master 开始接收来自 slave 的数据。
- 数据接收完毕后，master 向 slave 发送一条代表接收数据结束的消息。
SPI AT Master 示例代码¶
使用 SPI master 与 ESP 设备运行的 SPI slave 进行通信的示例代码请参考 AT ESP32 SPI Master Example。
SPI AT 速率¶
测试说明¶
- 使用 ESP32-DevKitC 开发板作为 SPI master，运行 ESP-AT 中的 at_spi-master/spi/esp32_c_series 目录的代码。其软硬件配置如下：
- 硬件：CPU 工作频率设置为 240 MHz，flash SPI mode 配置为 QIO 模式，flash 频率设置为 40 MHz。
- 软件：基于 ESP-IDF v4.3 的编译环境，并将示例代码中的 streambuffer 的大小调整为 8192 bytes。
- 使用 ESP32-C3 作为 SPI slave，编译并烧录 SPI AT 固件（参考 Build Your Own ESP-AT Project），并将 ESP32-C3 配置工作在 TCP 透传模式。其软硬件配置如下：
- 硬件：CPU 工作频率设置为 160 MHz。
- 软件：SPI-AT 的实现代码中，将 streambuffer 的大小设置为 8192 bytes，并使用 ESP-IDF 下的 example/wifi/iperf 中的 sdkconfig.defaults.esp32c3 中的相关配置参数。
测试结果¶
下表显示了我们在屏蔽箱中得到的通信速率结果：
| Clock | SPI mode | master->slave | slave->master |
|---|---|---|---|
| 10 M | Standard | 0.95 MByte/s | 1.00 MByte/s |
| 10 M | Dual | 1.37 MByte/s | 1.29 MByte/s |
| 10 M | Quad | 1.43 MByte/s | 1.31 MByte/s |
| 20 M | Standard | 1.41 MByte/s | 1.30 MByte/s |
| 20 M | Dual | 1.39 MByte/s | 1.30 MByte/s |
| 20 M | Quad | 1.39 MByte/s | 1.30 MByte/s |
| 40 M | Standard | 1.37 MByte/s | 1.30 MByte/s |
| 40 M | Dual | 1.40 MByte/s | 1.31 MByte/s |
| 40 M | Quad | 1.48 MByte/s | 1.31 MByte/s |
说明 1：当 SPI 的时钟频率较高时，受限于上层网络组件的限制，使用 Dual 或者 Quad 工作模式的通信速率想比较于 Standard 模式并未显著改善。
说明 2：更多关于 SPI 通信的介绍请参考对应模组的 技术参考手册。