探秘 SPI 总线

电子设计联盟

“ 详解串行外设接口及其与存储器、显示屏、Wi-Fi模块和SD卡的通信应用。 ”
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在先前文章中，我探讨了现代 OLED 显示屏与裸机微控制器对接的惊人便捷性。我的观点很简单：多数嵌入式应用中，采用完整 Linux SoC 平台（如树莓派）不仅冗余，反而会引发更多待解难题。可能会有人反驳：OLED 模块或许是个特例。比如为 MCU 添加无线连接或外部闪存模块，工程复杂度必定陡增。
虽无普适答案，但我认为 OLED 相关的练习比大多数练习都要更难。在无需千兆级传输速率的场景中，嵌入式外设多采用串行外设接口（SPI）：这种极其简单的全双工总线轻松实现超 50 Mbps 传输速率，且通常规避了 OLED 内存排序逻辑等异常设计。
) C; j* h2 k8 L) q  HSPI 的基本原理和操作方式很容易理解：由 MCU 主导通信流程。当需传输数据时，MCU 将对应外设的「片选」（CS-）引脚拉低，并向总线 SCK（串行时钟）线输出时钟信号。MCU 通过 MOSI（主出从入）逐位发送数据（通常在时钟上升沿触发），外设则通过 MISO（主入从出）并行回应。

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常用（“模式 0”）的 SPI 协议要点
时钟信号在传输单个字节或其整数倍后自动停止。当 MCU 需单向接收数据时，可通过 MOSI 发送虚拟字节以激活总线时钟，同时读取 MISO 数据；同理，外设亦可借此机制保持通信同步。
! A% M1 \; D" n尽管从某种角度来说，为 SPI 总线提供硬件驱动可能并不是绝对必要的，但很多微控制器还是会提供一个针对 SPI 总线的硬件驱动。以 ATmega328P 为例，其 SPI 数据寄存器（SPDR）具备自动收发功能：当向该寄存器写入字节时，系统自动执行 SPI 总线传输，发送数据的同时，该寄存器还会被来自 MISO（Master In Slave Out）的数据替换。传输完成时，微控制器就会在 SPI 状态寄存器（SPSR）中设置“SPI 完成”（SPIF）标志位。假设我需要将 ATmega328P 与一款 128kB SRAM模块（型号23LC1024）对接。该模块仅有 8 个引脚：2 个电源引脚（支持 2.5-5.5V 输入），4 个基础 SPI 接口引脚，以及 2 个无需连接的冗余引脚。具体连接时，需将模块的"串行输入"（SI）引脚接至 MCU 的 MOSI 线路，"串行输出"（SO）引脚接至 MISO 线路，SCK（时钟）线需互联。最后的"片选"（CS-）引脚可接至 MCU任意输出线，本例将采用端口B的第 0 位。
完成硬件连接后，需返回微控制器进行配置：通过 DDRB 寄存器的位映射设置 MOSI 和 SCK 引脚为输出模式，MISO 为输入模式（如先前所述）。接着在 SPI 配置寄存器（SPCR）中激活两个标志位："SPI 使能"（SPE）与"主控模式"（MSTR）:
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DDRB = 0b11101111;SPCR = (1 1 ;除基本配置外，SPCR 寄存器还支持总线速率分频设置（如SPI2X、SPR1/SPR0位），但实验阶段默认速率（通常为系统时钟的1/4）已能满足需求。完成寄存器初始化后，可通过以下函数实现与存储控制器的单字节双向通信：
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uint8_t spi_rxtx_byte(uint8_t val) {  SPDR = val;  while (!(SPSR & (1   return SPDR;}应用层协议也很简单，写入流程如下：

发送写指令码 0x02

发送 3 个字节的写入地址

连续发送待写入数据流

拉高 CS- 引脚结束操作[/ol]

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虽然图表看似复杂，但实现这一功能的代码却简单而贴心：

void write_ext_ram_bytes(uint32_t addr, const uint8_t* ptr, uint16_t len) {  PORTB &= ~1; /* CS- down */  spi_rxtx_byte(0x02);  spi_rxtx_byte(addr >> 16);  spi_rxtx_byte(addr >> 8);  spi_rxtx_byte(ext_addr);  while (len--) spi_rxtx_byte(*(ptr++));  PORTB |= 1; /* CS- up */}读取存储器的工作原理大致相同，MCU 会发送一条 “读取 ”命令 (0x03)，然后不断发送虚字节，同时保存从存储器芯片收到的响应：

void read_ext_ram_bytes(uint32_t addr, uint8_t* ptr, uint16_t len) {  PORTB &= ~1; /* -CS down */  spi_rxtx_byte(0x03);  spi_rxtx_byte(addr >> 16);  spi_rxtx_byte(addr >> 8);  spi_rxtx_byte(addr);  while (len--) *(ptr++) = spi_rxtx_byte(0);  PORTB |= 1; /* -CS up */}无论是与SRAM芯片通信、对接非易失性闪存控制器、驱动SD存储卡，还是操作乐鑫（Espressif）等厂商推出的低成本WiFi+TCP/IP模组，SPI总线协议栈的核心交互逻辑均高度统一。
1 w1 v/ T1 K# q) f+ D! c值得关注的是，当前主流WiFi模组的应用层协议竟沿用了1980年代Hayes调制解调器的指令体系（经适度现代化改造）。例如，开发者仍可通过经典"AT"指令集发起HTTP请求——这种将复古命令行与现代物联网技术深度融合的设计，堪称嵌入式领域的"复古科技彩蛋"。
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原文转载自：https://lcamtuf.substack.com/p/mcu-land-part-2-mysteries-of-the，经过翻译及校验
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