SPI 从机驱动程序

SPI 从机驱动程序控制在 ESP32 中作为从机的 SPI 外设。

ESP32 中 SPI 外设概述

ESP32 集成了 2 个通用的 SPI 控制器，可用作片外 SPI 主机驱动的从机节点。

SPI2，有时也称为 HSPI
SPI3，有时也称为 VSPI

SPI2 和 SPI3 各自具有一个与之同名的独立总线信号。

术语

下表为 SPI 主机驱动的相关术语。

术语	定义
主机 (Host)	ESP32 外部的 SPI 控制器外设。用作 SPI 主机，在总线上发起 SPI 传输。
从机设备 (Device)	SPI 从机设备（通用 SPI 控制器）。每个从机设备共享 MOSI、MISO 和 SCLK 信号，但只有当主机向从机设备的专属 CS 线发出信号时，从机设备才会在总线上处于激活状态。
总线 (Bus)	信号总线，由连接到同一主机的所有从机设备共用。一般来说，一条总线包括以下线路：MISO、MOSI、SCLK、一条或多条 CS 线，以及可选的 QUADWP 和 QUADHD。每个从机设备都有单独的 CS 线，除此之外，所有从机设备都连接在相同的线路下。如果以菊花链的方式连接，几个从机设备也可以共享一条 CS 线。
MISO	主机输入，从机输出，也写作 Q。数据从从机设备发送至主机。
MOSI	主机输出，从机输入，也写作 D。数据从主机发送至从机设备。
SCLK	串行时钟。由主机产生的振荡信号，使数据位的传输保持同步。
CS	片选。允许主机选择连接到总线上的单个从机设备，以便发送或接收数据。
QUADWP	写保护信号。只用于 4 位 (qio/qout) 传输。
QUADHD	保持信号。只用于 4 位 (qio/qout) 传输。
断言 (Assertion)	指激活一条线的操作。反之，将线路恢复到非活动状态（回到空闲状态）的操作则称为去断言。
传输事务 (Transaction)	即主机断言从机设备的 CS 线，向从机设备传输数据，接着去断言 CS 线的过程。传输事务为原子操作，不可打断。
发射沿 (Launch Edge)	源寄存器将信号发射到线路上的时钟边沿。
锁存沿 (Latch Edge)	目的寄存器锁存信号的时钟边沿。

驱动程序的功能

SPI 从机驱动程序允许将 SPI 外设作为全双工设备使用。驱动程序可以发送/接收长度不超过 64 字节的传输事务，或者利用 DMA 来发送/接收更长的传输事务。然而，存在一些与 DMA 有关的已知问题。

SPI 传输事务

主机断言 CS 线并在 SCLK 线上发出时钟脉冲时，一次全双工 SPI 传输事务就此开始。每个时钟脉冲都意味着通过 MOSI 线从主机转移一个数据位到从机设备上，并同时通过 MISO 线返回一个数据位。传输事务结束后，主机去断言 CS 线。

传输事务的属性由作为从机设备的 SPI 外设的配置结构体 spi_slave_interface_config_t 和传输事务配置结构体 spi_slave_transaction_t 决定。

由于并非每次传输事务都需要写入和读取数据，您可以选择配置 spi_transaction_t 为仅 TX、仅 RX 或同时 TX 和 RX 传输事务。如果将 spi_slave_transaction_t::rx_buffer 设置为 NULL，读取阶段将被跳过。如果将 spi_slave_transaction_t::tx_buffer 设置为 NULL，则写入阶段将被跳过。

备注

主机应在从机设备准备好接收数据之后再进行传输事务。建议使用另外一个 GPIO 管脚作为握手信号来同步设备。更多细节，请参阅传输事务间隔。

使用驱动程序

调用函数 cpp:func:spi_slave_initialize，将 SPI 外设初始化为从机设备。请确保在 bus_config 中设置正确的 I/O 管脚，并将未使用的信号设置为 -1。

如果传输事务的数据大于 32 字节，需要将参数 dma_chan 分别设置为 1 或 2 以使能 DMA 通道 1 或通道 2。若数据小于 32 字节，则应将 dma_chan 设为 0。

传输事务开始前，需用要求的事务参数填充一个或多个 spi_slave_transaction_t 结构体。可以通过调用函数 spi_slave_queue_trans() 来将所有传输事务排进队列，并在稍后使用函数 spi_slave_get_trans_result() 查询结果；也可以将所有请求输入 spi_slave_transmit() 中单独处理。主机上的传输事务完成前，后两个函数将被阻塞，以便发送并接收队列中的数据。

-（可选）如需卸载 SPI 从机驱动程序，请调用 spi_slave_free()。

传输事务数据和主/从机长度不匹配

通常，通过从机设备进行传输的数据会被读取或写入到由 spi_slave_transaction_t::rx_buffer 和 spi_slave_transaction_t::tx_buffer 指示的大块内存中。可以配置 SPI 驱动程序，使用 DMA 进行传输。在这种情况下，则必须使用 pvPortMallocCaps(size, MALLOC_CAP_DMA) 将缓存区分配到具备 DMA 功能的内存中。

驱动程序可以读取或写入缓存区的数据量取决于 spi_slave_transaction_t::length，但其并不会定义一次 SPI 传输的实际长度。传输事务的长度由主机的时钟线和 CS 线决定，且只有在传输事务完成后，才能从 spi_slave_transaction_t::trans_len 中读取实际长度。

如果传输长度超过缓存区长度，则只有在 spi_slave_transaction_t::length 中指定的初始比特数会被发送和接收。此时， spi_slave_transaction_t::trans_len 被设置为 spi_slave_transaction_t::length 而非实际传输事务长度。若需满足实际传输事务长度的要求，请将 spi_slave_transaction_t::length 设置为大于 spi_slave_transaction_t::trans_len 预期最大值的值。如果传输长度短于缓存区长度，则只传输与缓存区长度相等的数据。

GPIO 交换矩阵和 IO_MUX

ESP32 的大多数外设信号都直接连接到其专用的 IO_MUX 管脚。不过，也可以使用 GPIO 交换矩阵，将信号路由到任何可用的其他管脚。

如果通过 GPIO 交换矩阵路由了至少一个信号，则所有信号都将通过 GPIO 交换矩阵路由。GPIO 交换矩阵以 80 MHz 的频率对所有信号进行采样，并在 GPIO 和外设之间进行传输。

如果已经配置过驱动程序，所有的 SPI 信号都已路由到专用的 IO_MUX 管脚，或者根本没有连接到任何管脚，那么 GPIO 交换矩阵将被绕过。

GPIO 交换矩阵提高了信号传输的灵活性，但也增大了 MISO 信号的输入延迟，导致违反 MISO 设置时间的可能性更高。如需 SPI 高速运行，请使用专用的 IO_MUX 管脚。

备注

更多有关 MISO 输入延迟对最大时钟频率影响的细节，请参阅 Timing Considerations。

下表列出了 SPI 总线的 IO_MUX 管脚。

管脚名称	GPIO 编号 (SPI2)	GPIO 编号 (SPI3)
CS0*	15	5
SCLK	14	18
MISO	12	19
MOSI	13	23
QUADWP	2	22
QUADHD	4	21

只有连接到总线上的第一个从机设备可以使用 CS0 管脚。

速度与时钟

传输事务间隔

ESP32 的 SPI 从机外设是由 CPU 控制的通用从机设备。与专用的从机相比，在内嵌 CPU 的 SPI 从机设备中，预定义寄存器的数量有限，所有的传输事务都必须由 CPU 处理。也就是说，传输和响应并不是实时的，且可能存在明显的延迟。

解决方案为，首先使用函数 spi_slave_queue_trans()，然后使用 spi_slave_get_trans_result()，来代替 spi_slave_transmit()。由此一来，可使从机设备的响应速度提高一倍。

您也可以配置一个 GPIO 管脚，当从机设备开始新一次传输事务前，它将通过该管脚向主机发出信号。示例代码存放在 peripherals/spi_slave 目录下。

时钟频率要求

SPI 从机的工作频率最高可达 10 MHz。如果时钟频率过快或占空比不足 50%，数据就无法被正确识别或接收。

除此之外，在数据方面还有一些额外要求，以满足时间限制：

读取 (MOSI):
只有当数据在主机的发射沿准备好时，从机设备才能正确读取数据。此为大多数主机的默认情况。
写入 (MISO):
MISO 信号的输出延迟应短于半个时钟周期，以确保 MISO 线在下一个锁存沿之前保持稳定。鉴于时钟同步，不同情况下的输出延迟和频率限制如下。

/

MISO 输出延迟 (ns)

频率限制 (MHz)

IO_MUX

43.75

<11.4

GPIO 交换矩阵

68.75

<7.2

注： 1. 如果频率达到上限，会导致随机误差。 2. 主机和设备之间的时钟不确定性 (12.5 ns) 已被考虑在内。 3. 表中的输出延迟为理想情况（无负载）下的数据。如果 MISO 管脚负载较重，则输出延迟更长，且最大允许频率更低。

例外情况：如果主机支持更多相关 MISO 设置时间的选项，例如，可以在下一个边沿锁存数据，或可以配置锁存时间，则频率限制的上限会更高。

限制条件和已知问题

若启用了 DMA，则 RX 缓冲区应该以字对齐（从 32 位边界开始，字节长度为 4 的倍数）。否则，DMA 可能无法正确写入或无法实现边界对齐。若此项条件不满足，驱动程序将会报错。

此外，主机写入字节长度应为 4 的倍数。长度不符合的数据将被丢弃。

此外，使用 DMA 时需启用 SPI 模式 1 和模式 3。在 SPI 模式 0 和模式 2 下，为满足时序要求，MISO 信号必须提前半个时钟周期启动。新的时序如下：

如果启用 DMA，从机设备的发射沿会比正常时间提前半个 SPI 时钟周期，变为主机的实际锁存沿。在这种情况下，如果 GPIO 交换矩阵被绕过，数据采样的保持时间将是 68.75 ns，而非半个 SPI 时钟周期。如果使用了 GPIO 交换矩阵，保持时间将增加到 93.75 ns。主机应在锁存沿立即采样数据，或在 SPI 模式 1 或模式 3 中进行通信。如果您的主机无法满足上述时间要求，请在没有 DMA 的情况下初始化从机设备。

应用示例

从机设备/主机通信的示例代码存放在 ESP-IDF 示例项目的 peripherals/spi_slave 目录下。

API 参考

Header File

components/driver/include/driver/spi_slave.h

Functions

esp_err_t spi_slave_initialize(spi_host_device_t host, const spi_bus_config_t *bus_config, const spi_slave_interface_config_t *slave_config, spi_dma_chan_t dma_chan)

Initialize a SPI bus as a slave interface.

警告

SPI0/1 is not supported

警告

If a DMA channel is selected, any transmit and receive buffer used should be allocated in DMA-capable memory.

警告

The ISR of SPI is always executed on the core which calls this function. Never starve the ISR on this core or the SPI transactions will not be handled.

参数

host – SPI peripheral to use as a SPI slave interface
bus_config – Pointer to a spi_bus_config_t struct specifying how the host should be initialized
slave_config – Pointer to a spi_slave_interface_config_t struct specifying the details for the slave interface
dma_chan – - Selecting a DMA channel for an SPI bus allows transactions on the bus with size only limited by the amount of internal memory.
- Selecting SPI_DMA_DISABLED limits the size of transactions.
- Set to SPI_DMA_DISABLED if only the SPI flash uses this bus.
- Set to SPI_DMA_CH_AUTO to let the driver to allocate the DMA channel.

返回

ESP_ERR_INVALID_ARG if configuration is invalid
ESP_ERR_INVALID_STATE if host already is in use
ESP_ERR_NOT_FOUND if there is no available DMA channel
ESP_ERR_NO_MEM if out of memory
ESP_OK on success

esp_err_t spi_slave_free(spi_host_device_t host)

Free a SPI bus claimed as a SPI slave interface.

参数

host – SPI peripheral to free

返回

ESP_ERR_INVALID_ARG if parameter is invalid
ESP_ERR_INVALID_STATE if not all devices on the bus are freed
ESP_OK on success

esp_err_t spi_slave_queue_trans(spi_host_device_t host, const spi_slave_transaction_t *trans_desc, TickType_t ticks_to_wait)

Queue a SPI transaction for execution.

Queues a SPI transaction to be executed by this slave device. (The transaction queue size was specified when the slave device was initialised via spi_slave_initialize.) This function may block if the queue is full (depending on the ticks_to_wait parameter). No SPI operation is directly initiated by this function, the next queued transaction will happen when the master initiates a SPI transaction by pulling down CS and sending out clock signals.

This function hands over ownership of the buffers in trans_desc to the SPI slave driver; the application is not to access this memory until spi_slave_queue_trans is called to hand ownership back to the application.

参数

host – SPI peripheral that is acting as a slave
trans_desc – Description of transaction to execute. Not const because we may want to write status back into the transaction description.
ticks_to_wait – Ticks to wait until there’s room in the queue; use portMAX_DELAY to never time out.

返回

ESP_ERR_INVALID_ARG if parameter is invalid
ESP_OK on success

esp_err_t spi_slave_get_trans_result(spi_host_device_t host, spi_slave_transaction_t **trans_desc, TickType_t ticks_to_wait)

Get the result of a SPI transaction queued earlier.

This routine will wait until a transaction to the given device (queued earlier with spi_slave_queue_trans) has succesfully completed. It will then return the description of the completed transaction so software can inspect the result and e.g. free the memory or re-use the buffers.

It is mandatory to eventually use this function for any transaction queued by spi_slave_queue_trans.

参数

host – SPI peripheral to that is acting as a slave
trans_desc – [out] Pointer to variable able to contain a pointer to the description of the transaction that is executed
ticks_to_wait – Ticks to wait until there’s a returned item; use portMAX_DELAY to never time out.

返回

ESP_ERR_INVALID_ARG if parameter is invalid
ESP_OK on success

esp_err_t spi_slave_transmit(spi_host_device_t host, spi_slave_transaction_t *trans_desc, TickType_t ticks_to_wait)

Do a SPI transaction.

Essentially does the same as spi_slave_queue_trans followed by spi_slave_get_trans_result. Do not use this when there is still a transaction queued that hasn’t been finalized using spi_slave_get_trans_result.

参数

host – SPI peripheral to that is acting as a slave
trans_desc – Pointer to variable able to contain a pointer to the description of the transaction that is executed. Not const because we may want to write status back into the transaction description.
ticks_to_wait – Ticks to wait until there’s a returned item; use portMAX_DELAY to never time out.

返回

ESP_ERR_INVALID_ARG if parameter is invalid
ESP_OK on success

Structures

struct spi_slave_interface_config_t

This is a configuration for a SPI host acting as a slave device.

Public Members

int spics_io_num: CS GPIO pin for this device.

uint32_t flags: Bitwise OR of SPI_SLAVE_* flags.

int queue_size: Transaction queue size. This sets how many transactions can be ‘in the air’ (queued using spi_slave_queue_trans but not yet finished using spi_slave_get_trans_result) at the same time.

uint8_t mode

SPI mode, representing a pair of (CPOL, CPHA) configuration:

0: (0, 0)
1: (0, 1)
2: (1, 0)
3: (1, 1)

slave_transaction_cb_t post_setup_cb

Callback called after the SPI registers are loaded with new data.

This callback is called within interrupt context should be in IRAM for best performance, see “Transferring Speed” section in the SPI Master documentation for full details. If not, the callback may crash during flash operation when the driver is initialized with ESP_INTR_FLAG_IRAM.

slave_transaction_cb_t post_trans_cb

Callback called after a transaction is done.

This callback is called within interrupt context should be in IRAM for best performance, see “Transferring Speed” section in the SPI Master documentation for full details. If not, the callback may crash during flash operation when the driver is initialized with ESP_INTR_FLAG_IRAM.

struct spi_slave_transaction_t

This structure describes one SPI transaction

Public Members

size_t length: Total data length, in bits.

size_t trans_len: Transaction data length, in bits.

const void *tx_buffer: Pointer to transmit buffer, or NULL for no MOSI phase.

void *rx_buffer: Pointer to receive buffer, or NULL for no MISO phase. When the DMA is anabled, must start at WORD boundary (rx_buffer%4==0), and has length of a multiple of 4 bytes.

void *user: User-defined variable. Can be used to store eg transaction ID.

Macros

SPI_SLAVE_TXBIT_LSBFIRST: Transmit command/address/data LSB first instead of the default MSB first.

SPI_SLAVE_RXBIT_LSBFIRST: Receive data LSB first instead of the default MSB first.

SPI_SLAVE_BIT_LSBFIRST: Transmit and receive LSB first.

Type Definitions

typedef struct spi_slave_transaction_t spi_slave_transaction_t

typedef void (*slave_transaction_cb_t)(spi_slave_transaction_t *trans)

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/	MISO 输出延迟 (ns)	频率限制 (MHz)
IO_MUX	43.75	<11.4
GPIO 交换矩阵	68.75	<7.2