在嵌入式系統中，主控MCU往往集成了多種片上外設，例如，GPIO、PWM、I2C、SPI、UART、ADC等等。通過它們可以使MCU輕松的與“外部世界”相互連接、相互通信，從而與“外部世界”交互。在AWorks中，對這些外設進行了抽象，為同一類外設提供了相同的使用接口。對于用戶來講，無論使用什么MCU，只要該MCU具有相應的外設，則均可以使用相同的外設接口進行操作，因而使用某一外設的應用程序可以輕松的跨平臺（移到另外一個硬件平臺）復用。同時，由于直接為用戶提供了外設的使用接口，因此，用戶不再需要了解底層的寄存器操作，由此可以將用戶從閱讀寄存器手冊、編寫底層驅動中解脫出來，使用戶更加專注于產品本身的“核心域”，提升產品的競爭力。

7.1 GPIO

在使用一個I/O口前，必須正確的配置I/O的功能和模式。同時，由于一個I/O口往往可用于多種功能，但同一時刻只能用于某一確定的功能，為了避免沖突，在將一個引腳用作某一功能前，應該向系統申請，使用完畢后再釋放。

當將I/O口用作GPIO（General Purpose Input Output）功能時，GPIO作為一種通用輸入/輸出接口，有兩種常用的使用方式：一種是用作普通的輸入/輸出接口；一種是用作中斷輸入接口，即當指定的輸入狀態事件發生（比如：下降沿）時，觸發用戶自定義回調函數。

7.1.1 I/O配置

通常情況下，一個引腳往往可以用作多種功能，例如，在i.MX280中，PIO3_0可以用作下面4種功能：

• 應用串口0的接收引腳；

• I2C0的時鐘引腳；

• 調試串口的CTS引腳；

• 通用GPIO。

同時，GPIO往往還具有多種模式，比如：上拉、下拉、開漏、推挽等。為了正確使用一個IO口，必須先將其配置為正確的功能和模式。AWorks提供了I/O配置接口，其原型為：

其中，pin為引腳編號，flags為配置的功能和模式標志，返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示配置成功，否則，表示配置失敗，配置失敗可能是由于部分功能和模式不支持造成的。

引腳編號pin用于指定需要配置的引腳，在GPIO標準接口層中，所有函數的第一個參數均為pin，用于指定具體操作的引腳，具體的引腳編號在{chip}_pin.h文件中定義（chip代表芯片名，例如，對于i.mx28x系列MCU，chip即為imx28x，對應文件名為imx28x_pin.h），宏名的格式為PIOx_y，比如：PIO3_0。

flags為配置標志，由“通用功能|通用模式|平臺功能|平臺模式”（‘|’就是C語言中的按位或）組成。

1. 通用功能和模式

通用功能和模式是AWorks抽象的GPIO最通用的功能和模式，它們在aw_gpio.h文件中使用宏的形式進行了定義，宏名格式為AW_GPIO_*。通用功能相關宏定義與含義詳見表7.1，通用模式相關宏定義與含義詳見表7.2。

表7.1 引腳通用功能

表7.2 引腳通用模式

通用功能和模式相關的宏定義在標準接口層中，不會隨芯片的改變而改變，使用通用功能和模式的應用程序是與具體芯片是無關的，可以跨平臺復用。使用通用功能和模式配置引腳的范例程序詳見程序清單7.1。

程序清單7.1 使用通用功能和模式配置引腳的范例程序

2. 平臺功能和模式

平臺功能和模式與具體芯片相關，會隨著芯片的不同而不同，主要包括引腳的復用功能和一些特殊的模式，平臺功能和模式相關的宏定義在{chip}_pin.h文件中，宏名的格式為PIOx_y_*，比如：PIO3_0_AUART0_RX，即PIO3_0的串口0接收引腳。

如需查找某一引腳（比如：PIO3_0）相關的平臺功能和平臺模式，可以打開{chip}_pin.h文件，找到以PIO或引腳編號PIO3_0為前綴的所有宏定義。若一個宏定義以引腳編號為前綴，則表明該宏僅可用于引腳編號對應的引腳，例如，PIO3_0_AUART0_RX僅可用于PIO3_0。若一個宏定義沒有以具體引腳編號為前綴，僅以PIO作為前綴，則表明該宏對應的功能或模式可用于所有引腳。例如，PIO3_0相關的平臺功能詳見表7.4，相關的平臺模式定義詳見表7.3。

表7.3 引腳平臺模式

表7.4 PIO3_0平臺功能

在表7.3中，所有平臺模式都以PIO作為前綴，而非PIO3_0作為前綴。表明這些平臺模式不是PIO3_0引腳所特有的，而是所有引腳都可能支持的模式，即這些模式對應的宏可以在配置任意引腳時使用。使用平臺功能和模式配置引腳的范例程序詳見程序清單7.2。

程序清單7.2 使用通用功能和模式配置引腳的范例程序

特別地，平臺功能和模式可以和通用功能和模式組合使用。例如，在配置I2C引腳時，可以開啟內部上拉，范例程序詳見程序清單7.3。

程序清單7.3 通用模式和平臺模式混合使用

7.1.2 I/O的申請和釋放

如表7.4所示，PIO3_0可以被用作4種功能。雖然PIO3_0的功能眾多，但是，在同一時刻，其只能被用作某一確定功能，并不能同時使用多種功能。

隨著系統復雜度的上升，用戶往往很難保證某一引腳只被用作一種功能，稍有不慎，就可能將某一引腳同時配置為多種功能，而實際上，由于引腳同一時刻只能被用作一種功能，因此，部分使用某種功能的程序將不能正常工作。這種情況下，用戶往往很難發現工作異常的原因。

例如，PIO3_0已經被用作I2C0的時鐘引腳，結果由于程序員的不小心，又將其配置為串口0的接收引腳，此時，若不加以保護，則引腳會被配置為串口0的接收引腳，這將導致I2C0工作不正常。

為了保證引腳功能的互斥使用，AWorks提供了一種申請機制，在將引腳用作某一功能前，必須向系統申請，若該引腳處于空閑狀態，還未被申請過，則本次申請成功，同時標記該引腳已被使用。若在申請時，該引腳已被申請，則本次申請失敗。當一個引腳使用完畢時，應該釋放該引腳，以便系統將該引腳分配給下一個申請者。

在實際應用中，往往在設計硬件電路時，一個引腳只會被用作某一確定的功能，不會將一個引腳同時用作多個外設功能引腳，因此，軟件設計正確無誤的情況下，通常不會出現申請失敗的情況。當申請失敗時，往往是由于軟件開發人員的錯誤導致的，這就需要軟件開發人員引起足夠的重視，出現申請失敗的情況時，必須立即解決，找到某一引腳被非法占用的位置。

引腳申請機制包括兩個接口，相關接口的原型詳見表7.5。

表7.5 引腳申請機制相關接口（aw_gpio.h）

1. 申請引腳

當需要使用一組引腳時，應該向系統申請，申請的函數原型為：

其中，p_name為申請者的名字，p_pins指向引腳列表，num為本次申請的引腳個數。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示申請成功，可以正常使用相關的引腳，否則，表示申請失敗，相關引腳已經被占用，無法使用。

p_name為申請者的名字，其指向一個字符串，例如，"LED"、"UART" 、"SSP0"、"I2C0"等，名字僅作標記，便于引腳的跟蹤，可以任意設定。

p_pins為引腳列表，例如，要申請PIO3_2和PIO3_3這兩個引腳用作串口功能，則引腳列表可以定義為：

num表示本次申請的引腳個數，其值應該與p_pins指向的列表中的引腳個數相等，比如：2。申請PIO3_2和PIO3_3這兩個引腳用作串口功能的范例程序詳見程序清單7.4。

程序清單7.4 引腳申請范例程序

只有當引腳申請成功后，才能配置相應的引腳用作串口功能。

特別地，即使將一個IO口用作通用的GPIO口，也需要先申請，例如，要將PIO2_6用作通用I/O口，用以控制LED0。則同樣需要在將其配置為通用I/O功能前向系統申請，范例程序程序清單7.4。

關于需要申請引腳的時機，一個簡單的原則就是：在調用aw_gpio_pin_cfg()前，都應該確保已經向系統申請到該引腳的使用權。

2. 釋放引腳

當引腳使用完畢，暫時不再使用時，應該釋放引腳，清除每個引腳的使用記錄。便于其它模塊申請使用。其函數原型為：

其中， p_pins指向引腳列表，num為本次釋放的引腳個數。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示釋放成功，否則，表示釋放失敗，可能是由于參數錯誤導致的。

p_pins為引腳列表，其應該與申請引腳時的引腳列表一致，例如，要釋放之前申請的PIO3_2和PIO3_3這兩個引腳，則引腳列表定義為：

num表示本次釋放的引腳個數，其值應該與p_pins指向的列表中的引腳個數相等，比如：2。釋放PIO3_2和PIO3_3這兩個引腳的范例程序詳見程序清單7.5。

程序清單7.5 釋放引腳范例程序

在釋放引腳前，可以將I/O口配置為通用GPIO功能，以使其不再作為串口的功能引腳。特別注意，這一配置操作只能在釋放前完成，釋放后將失去引腳的控制權，不可再對其進行配置操作。

7.1.3 普通I/O接口

當將一個引腳配置為通用I/O接口時（輸入或輸出），則可以通過相關的I/O接口控制其輸出狀態或獲取其輸入狀態。相關接口的原型詳見表7.6。

表7.6 GPIO通用接口（aw_gpio.h）

1. 獲取引腳電平

無論當前引腳處于輸出模式還是輸入模式，都可以通過該接口獲取當前的引腳電平狀態。其函數原型為：

其中的pin為引腳編號。返回值為標準的錯誤號，若返回值小于0，則表示獲取失敗，失敗的原因可能是用于引腳不存在。若返回值為非負數，則表明獲取成功，其值為0時，表明當前引腳的電平為低電平，其值大于0時，表明當前引腳的電平為高電平。范例程序詳見程序清單7.6。

程序清單7.6 獲取引腳電平范例程序

2. 設置引腳電平

當引腳處于輸出模式時，可以通過該接口設置引腳的輸出電平，其函數原型為：

其中，pin為引腳編號。value為設置的值，當value為0時，輸出低電平，否則，輸出高電平。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示設置成功，否則，表示設置失敗。

例如，可以控制GPIO的輸出電平，達到控制LED狀態的目的。在EPC-AW280上板載了一個運行指示燈，標識為RUN，其對應的原理圖詳見圖7.1。

圖7.1 板載LED電路

其中，發光二極管的陰極與MCU的PIO2_6相連，當I/O輸出低電平時，由于LED陽極加了3.3V電壓（高電平1），因而形成了電位差，所以有電流流動，則LED發光二極管導通，即LED發光；當I/O輸出高電平1時，由于無法形成電位差，則LED二極管不導通，即LED熄滅。

基于此，可以使PIO2_6輸出低電平，以點亮LED，范例程序詳見程序清單7.7。

程序清單7.7 設置引腳電平范例程序

程序中，首先將PIO2_6配置為了輸出模式，并將初始值設定為高電平，以便初始化完畢后，LED默認處于熄滅狀態。

同理，點亮LED后，可以控制PIO2_6輸出高電平，以熄滅LED。如以一定的頻率交替使PIO2_6輸出高電平和低電平，則可以看到LED閃爍，范例程序程序清單7.8。

程序清單7.8 交替輸出高低電平的范例程序

這里通過GPIO的輸出控制LED，僅為介紹GPIO接口的使用方法。實際中，AWorks已經定義了通用的LED接口，在應用中操作LED時，均建議使用通用的LED接口。

3. 翻轉引腳電平

該接口用于翻轉 GPIO 引腳的輸出電平，如果GPIO當前輸出的是低電平，當調用該函數后，GPIO將輸出高電平，反之則輸出變為低電平。其函數原型為：

其中，pin為引腳編號。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示翻轉成功，否則，表示翻轉失敗。在程序清單7.8中，通過交替輸出高電平和低電平實現了LED閃爍。而交替輸出高低電平本質上就是不斷翻轉GPIO的輸出電平。基于此，若以一定的頻率翻轉GPIO的輸出電平，同樣可以實現LED閃爍，范例程序詳見程序清單7.9。

程序清單7.9 翻轉引腳電平的范例程序

7.1.4 中斷I/O接口

由對普通I/O接口的介紹可知，若需獲取某一引腳的狀態，可以通過aw_gpio_get()接口得到引腳的當前輸入狀態。若用戶需要監控GPIO某一狀態事件（比如：GPIO由高電平變為低電平），即當出現某一狀態時，才執行相應的操作。若還是使用普通I/O接口，則必須不斷的調用aw_gpio_get()接口，直到讀取到引腳電平為0。顯然，由于使用這種方式需要不斷的輪詢，因而是非常消耗CPU的。為此，AWorks提供了中斷I/O接口，其可以使GPIO工作在中斷狀態，實時監控引腳的輸入狀態，只有當用戶期望的狀態發生時，才通知用戶，用戶進而執行相關的處理，當期望的狀態沒有發生時，則用戶完全不用關心引腳的狀態，無需對引腳進行不斷的輪詢。

AWorks為I/O中斷相關的操作定義了一套觸發接口，用戶期望的狀態稱之為觸發條件，當GPIO的輸入狀態滿足觸發條件時，將自動調用引腳觸發回調函數，以通知用戶作相關的處理。相關接口原型詳見表7.7。

表7.7 GPIO觸發相關接口函數

1. 連接引腳觸發回調函數

在使用引腳的觸發功能前，應該首先連接一個回調函數到觸發引腳，當相應引腳的觸發事件產生時，則會調用本函數連接的觸發回調函數。其函數原型為：

其中，pin為引腳編號，pfunc_callback為指向回調函數的指針，其指向的函數即為本次連接的回調函數，p_arg為傳遞給回調函數的用戶參數。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示連接成功，否則，表示連接失敗，失敗可能是由于該引腳不支持觸發模式。

pfunc_callback為指向回調函數的指針，其類型為aw_pfuncvoid_t，該類型在aw_types.h文件中定義如下：

由此可見，回調函數的類型是無返回值，具有一個void *類型參數的函數。當觸發事件發生時，將自動調用pfunc_callback指向的函數，并將連接觸發回調函數時設定的p_arg作為回調函數的參數。例如，要將引腳PIO3_6用作觸發功能，則首先需要連接觸發回調函數，范例程序詳見程序清單7.10。

程序清單7.10 連接引腳觸發回調函數范例程序

2. 斷開引腳觸發回調函數

與aw_gpio_trigger_connect()函數的功能相反，當一個引腳不再需要用作觸發功能時，可以斷開引腳與回調函數的連接。或者當需要將一個引腳的回調函數重新連接到另外一個函數時，則應該先斷開當前連接的回調函數，再重新連接到新的回調函數。其函數原型為：

其中，pin為引腳編號，pfunc_callback 為指向回調函數的指針，其值應該與連接回調函數時設定的回調函數一致，p_arg為回調函數的參數，其值同樣應該與連接回調函數時設定的p_arg一致。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示斷開連接成功，否則，表示斷開連接失敗，失敗可能是由于參數錯誤造成的。使用范例詳見程序清單7.11。

程序清單7.11 斷開引腳觸發回調函數范例程序

3. 配置引腳觸發條件

連接觸發回調函數后，需要配置引腳觸發的條件，其函數原型如下：

其中，pin為引腳編號，flags用于指定觸發條件。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示配置成功，否則，表示配置失敗，配置失敗可能是由于該引腳不支持配置的觸發條件。

觸發條件決定了引腳觸發的時機，所有可選的觸發條件詳見表7.8。

表7.8 GPIO觸發條件配置宏

實際中，并不是每一個引腳都支持表中所有的觸發條件，當配置觸發條件時，應檢測返回值，確保相應引腳支持所配置的觸發條件。特別地，部分引腳可能不支持觸發模式，配置任何觸發條件都會失敗。

例如，配置PIO3_6為觸發模式，觸發條件為下降沿觸發，范例程序詳見程序清單7.12。

程序清單7.12 配置觸發條件的范例程序

4. 打開引腳觸發

當正確連接回調函數并設置相應的觸發條件后，可以打開引腳觸發，使引腳觸發開始工作。其函數原型為：

其中，pin為引腳編號，返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示打開成功，否則，表示打開失敗，打開失敗可能是由于未正確連接回調函數或設置觸發條件。

綜合連接引腳觸發回調函數和配置引腳觸發條件的接口，可以實現一個完整的引腳觸發范例程序，詳見程序清單7.13。

程序清單7.13 打開引腳觸發范例程序

程序中，由于需要使用aw_gpio_pin_cfg()將引腳配置為輸入模式，因此，在配置引腳前，同樣先向系統申請了引腳的控制權。特別地，在aw_gpio_trigger_cfg()前，無需再次申請。

程序運行后，若PIO3_6引腳出現下降沿（可以通過導線將PIO3_6與GND輕觸幾次），則可以觀察到LED的狀態發生變化。實際中，若采用輕觸GND的方式產生下降沿，由于輕觸時會有抖動，可能輕觸時將在短時間內產生多個下降沿，此時，可能觀察到LED無規律的翻轉。

注意，必須先連接回調函數，再配置引腳的觸發條件，這個順序不能顛倒，即不能顛倒程序清單7.13中第18行和第19行的順序。

特別地，當將引腳用作觸發功能時，往往需要將引腳配置為輸入模式。程序清單7.13的第14行程序將引腳配置為了輸入模式，并開啟了上拉，使得PIO3_6在外部懸空狀態時，仍能處于確定的高電平狀態。

5. 關閉引腳觸發

當暫時不使用引腳觸發功能時，可以關閉引腳觸發，引腳觸發將停止工作，此時，即使滿足配置的觸發條件，也不會觸發調用引腳相應的回調函數。其函數原型為：

其中，pin為引腳編號，返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示關閉成功，否則，表示關閉失敗。使用范例詳見程序清單7.14。

程序清單7.14 關閉引腳觸發范例程序

當引腳觸發被關閉后，若需引腳觸發重新開始工作，可以使用aw_gpio_trigger_on()再次打開引腳觸發功能。

7.2 PWM

7.2.1 PWM簡介

大小和方向隨時間發生周期性變化的電流稱為交流，交流中最基本的波形稱為正弦波，除此之外的波形稱為非正弦波。計算機、電視機、雷達等裝置中使用的信號稱為脈沖波、鋸齒波等，其電壓和電流波形都是非正弦交流的一種。

PWM（Pulse Width Modulation）就是脈沖寬度調制的意思，一種脈沖編碼技術，即可以按照信號電平改變脈沖寬度。而脈沖寬度調制波的周期也是固定的，用占空比（高電平/周期，有效電平在整個信號周期中的時間比率，范圍為0~100%）來表示編碼數值。PWM可以用于對模擬信號電平進行數字編碼，也可以通過高電平（或低電平）在整個周期中的時間來控制輸出的能量，從而控制電機轉速或LED亮度。

PWM信號是由計數器和比較器產生的，比較器中設定了一個閾值，計數器以一定的頻率自加。當計數器的值小于閾值時，則輸出一種電平狀態，比如，高電平。當計數器的值大于閾值，則輸出另一種電平狀態，比如，低電平。當計數器溢出清0時，又回到最初的電平狀態，即I/O引腳發生了周期性的翻轉而形成PWM波形，詳見圖7.2。

圖7.2 PWM波形圖

當計數器的值小于閾值時，則輸出高電平；當計數器的值大于閾值時，則輸出低電平。閾值為45，計數器的值最大為100。PWM波形有三個關鍵點：起始點①，此時計數器的值為0；計數器值達到閾值②，I/O狀態發生翻轉；計數器達到最大值③，I/O狀態發生翻轉，計數器的值回到0重新開始計數。

7.2.2 PWM接口

AWorks提供了接口函數，用于控制PWM輸出，接口原型詳見表7.9。

表7.9 PWM接口函數（aw_pwm.h）

1. 配置PWM通道

配置一個PWM通道的周期時間和高電平時間，其函數原型為：

其中，pid為PWM通道的id號，duty_ns為脈寬時間（單位：ns），period_ns為周期時間（單位：納秒）。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示配置成功，否則，表示配置失敗。

在AWorks中，一個系統往往可以輸出多個通道的PWM，各個通道通過pid區分，一個系統實際可以輸出PWM的通道數與具體硬件平臺相關。例如，在i.MX28x系統中，可以輸出8路PWM。則PWM通道的編號為：0 ~ 7，各通道對應的默認I/O口詳見表7.10。

表7.10 各通道對應的I/O口

注：實際中，各個PWM通道對應的I/O口是可以配置的，具體配置方法詳見SDK配套資料中的《用戶手冊.pdf》。

輸出PWM的頻率由周期時間period_ns決定，例如，需要輸出1KHz的PWM，周期時間為1ms，則period_ns的值為1000000。

輸出PWM的脈寬由duty_ns決定，它和周期值決定了輸出PWM的占空比，占空比即為：duty_ns / period_ns。duty_ns的值不能超過period_ns。配置PWM通道0輸出PWM的頻率為1KHz，占空比為50%的范例程序詳見程序清單7.15。

程序清單7.15 配置PWM通道的范例程序

2. 使能PWM輸出

PWM通道配置完成后，并不會輸出PWM。只有使能通道輸出后，才能使相應通道開始輸出PWM，其函數原型為：

其中，pid為PWM通道的id號。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示使能成功，PWM開始輸出，否則，表示使能失敗，PWM不能正常輸出，失敗原因可能是通道號設置有誤。使能PWM通道0輸出的范例程序詳見程序清單7.16。

程序清單7.16 使能PWM輸出范例程序

3. 禁能PWM輸出

若需關閉PWM通道的輸出，則可以禁能相應PWM通道，其函數原型為：

其中，pid為PWM通道的id號。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示禁能成功，PWM停止輸出，否則，表示禁能失敗。禁能PWM通道0輸出的范例程序詳見程序清單7.17。

程序清單7.17 禁能PWM輸出范例程序

EPC-AW280上板載了一個無源蜂鳴器，其對應的原理圖詳見圖7.3，蜂鳴器的控制引腳與GPIO3_29連接，當GPIO3_29輸出高電平時，則三極管導通，向蜂鳴器供電；當GPIO3_29輸出低電平時，則三極管截止，停止向蜂鳴器供電。對于無源蜂鳴器，只要以一定的頻率控制蜂鳴器的“通電”和“斷電”，即可使蜂鳴器產生機械振動音，聲音的頻率與控制信號的頻率相同，只要頻率在人耳的聽覺范圍內，即可聽到蜂鳴器發出的聲音。

圖7.3 板載蜂鳴器電路

基于此，可以通過GPIO3_29輸出一定頻率的PWM，使蜂鳴器發聲。由表7.10可知，GPIO3_29對應的PWM通道為4。因此，控制PWM通道4輸出PWM即可聽到蜂鳴器發聲。范例程序詳見程序清單7.18。

程序清單7.18 使用PWM輸出驅動蜂鳴器發聲范例程序

運行程序，可以聽到蜂鳴器發出的聲音。由于程序中一直輸出PWM，因此蜂鳴器會一直鳴叫，若僅需蜂鳴器每秒“嘀”一聲，則可以在不需要發聲時禁能PWM輸出。范例程序詳見程序清單7.19。

程序清單7.19 使用PWM控制蜂鳴器每秒“嘀”一聲的范例程序

這里通過控制PWM的輸出驅動蜂鳴器發聲，僅為介紹PWM接口的使用方法。實際中，AWorks已經定義了通用的蜂鳴器接口，在應用中操作蜂鳴器時，均建議直接使用通用的蜂鳴器接口。

7.3 SPI總線

7.3.1 SPI總線簡介

SPI（Serial Peripheral Interface）是一種全雙工同步串行通信接口，常用于短距離高速通信，其數據傳輸速率通常可達到幾M甚至幾十M。SPI通信采用主/從結構，主/從雙方通信時，需要使用到4根信號線：SCLK、MOSI、MISO、CS。其典型的連接示意圖詳見圖7.4。

圖7.4 SPI連接示意圖——單從機

• SCLK：時鐘信號，由主設備產生；

• MOSI：主機數據輸出，從機數據輸入；

• MISO：從機數據輸出，主機數據輸入；

• CS：片選信號，由主設備控制。

數據傳輸是由主機發起的，主機在串行數據傳輸前驅動CS信號，使之變為有效狀態（通常情況下，有效狀態為低電平），接著，在SCLK上輸出時鐘信號，在時鐘信號的同步下，每個時鐘傳輸一位數據，主機數據通過MOSI傳輸至從機，從機數據通過MISO傳輸至主機，數據傳輸完畢后，釋放CS信號，使之變為無效狀態，一次數據傳輸完成。

一個主機可以連接多個從機，多個從機共用SCLK 、MOSI、MISO三根信號線，每個從機的片選信號CS是獨立的，因此，若主機需要連接多個從機，就需要多個片選控制引腳。連接示意圖詳見圖7.5。當一個主機連接多個從機時，同一時刻最多只能使一個片選信號有效，以選擇一個確定的從機作為數據通信的目標對象。也就是說，在某一時刻，最多只能激活尋址一個從機，以使各從機之間相互獨立的使用，互不干擾。

圖7.5 SPI連接示意圖——多從機

注意，單個通信網絡中，可以有多個從機，但有且只能有一個主機。

除了需要了解上述SPI的基本概念外，讀者還應該理解SPI的傳輸模式，以便在操作SPI從機器件時，可以正確的設置SPI主機的傳輸模式。

SPI數據傳輸是在片選信號有效時，數據位在時鐘信號的同步下，每個時鐘傳輸一位數據。根據時鐘極性和時鐘相位的不同，將SPI分為了4種傳輸模式，詳見表7.11。

表7.11 SPI模式

• 時鐘極性（CPOL）

時鐘極性表示了SPI空閑時的時鐘極性，可以為高電平（CPOL=1）或低電平（CPOL=0）。

• 時鐘相位

時鐘相位決定了數據采樣的時機，若CPHA=0，則表示數據在時鐘的第一個邊沿采樣；若CPHA=1，則表示數據在時鐘的第二個邊沿采樣。

CPHA=0時，對應的模式0（CPOL=0）和模式2（CPOL=1）的示意圖詳見圖7.6。

圖7.6 SPI模式0和模式2示意圖

在SPI模式0（CPOL=0，CPHA=0）中，時鐘空閑電平為低電平，在傳輸數據時，每一位數據在第一個邊沿（即上升沿）采樣。

在SPI模式2（CPOL=1，CPHA=0）中，時鐘空閑電平為高電平，在傳輸數據時，每一位數據在第一個邊沿（即下降沿）采樣。

同理，CPHA=1時，對應的模式1（CPOL=0）和模式3（CPOL=1）的示意圖詳見圖7.7。

圖7.7 SPI模式1和模式3示意圖

在SPI模式1（CPOL=0，CPHA=1）下，時鐘空閑電平為低電平，在傳輸數據時，每一位數據在第二個邊沿（即下降沿）采樣。

在SPI模式3（CPOL=1，CPHA=1）下，時鐘空閑電平為高電平，在傳輸數據時，每一位數據在第二個邊沿（即上升沿）采樣。

7.3.2 SPI總線接口

絕大部分情況下，MCU都作為SPI主機與SPI從機器件通信，因此這里僅介紹AWorks中將MCU作為SPI主機的相關接口，接口原型詳見表7.12。

表7.12 SPI標準接口函數

1. 定義SPI從機器件實例

對于用戶來講，使用SPI總線的目的往往是用于操作一個SPI從機器件，比如，HC595、SPI FLASH等。MCU作為SPI主機與從機器件通信，需要知道從機器件的相關信息，比如： SPI模式、SPI速率、數據位寬等。在AWorks中，定義了統一的SPI從機器件類型：aw_spi_device_t，用于包含從機器件相關的信息，以便主機正確的與之通信。該類型的具體定義用戶無需關心，在使用SPI操作一個從機器件前，必須先使用該類型定義一個與從機器件對應的器件實例，例如：

其中，spi_dev為用戶自定義的從機實例，其地址可作為接口函數中p_dev的實參傳遞。

2. 初始化SPI從機器件實例

當完成SPI從機器件實例的定義后，還需要完成其初始化，指定從機器件相關的信息，初始化函數的原型為：

其中，p_dev為指向SPI從機器件實例的指針，busid為SPI總線編號，bits_per_word為數據位寬，mode為使用的SPI模式，max_speed_hz為從設備支持的最高時鐘頻率，cs_pin為從機設備的片選引腳，pfunc_cs為自定義的片選引腳控制函數。

在AWorks中，一個系統往往具有多條SPI總線，各總線之間通過busid區分，一個系統實際支持的SPI總線條數與具體硬件平臺相關。例如，在i.MX28x系統中，最高可以支持5條SPI總線，對應的總線編號即為：0 ~ 4。busid參數即用于指定使用那條SPI總線與從機器件進行通信。

表7.13 SPI模式標志

bits_per_word指定了數據傳輸的位寬，一般來講，數據均為8位，即每個數據為一個字節。

mode為從機使用的SPI模式（模式0 ~ 模式3，對應的宏定義詳見表7.13），從機器件一般支持固定的一種或幾種SPI模式，這里的mode用于指定使用何種SPI模式與從機器件通信。

max_speed_hz為從機器件支持的最大速率（SCLK最高時鐘頻率），往往在從機器件對應的數據手冊上有定義。通常情況下，從機器件支持的最大速率都是很高的，有時可能會超過MCU中SPI主機能夠輸出的最大時鐘頻率，此時，將直接使用MCU中SPI主機能夠輸出的最大時鐘頻率。

cs_pin和pfunc_cs均與片選引腳相關。pfunc_cs是指向自定義片選引腳控制函數的指針，若pfunc_cs的值為NULL，驅動將自動控制由cs_pin指定的引腳實現片選控制；若pfunc_cs的值不為NULL，指向了有效的自定義片選控制函數，則cs_pin不再被使用，片選控制將完全由pfunc_cs指向的函數實現。當需要片選引腳有效時（SPI數據傳輸前），系統將自動調用pfunc_cs指向的函數，并傳遞state的值為1。當需要片選引腳無效時（SPI數據傳輸結束后），也會調用pfunc_cs指向的函數，并傳遞state的值為0。一般情況下，片選引腳自動控制即可，即設置pfunc_cs的值為NULL，cs_pin的值設置為片選引腳，比如：PIO2_19。

例如，要使用SPI0（SPI總線的busid為0）操作74HC595。則首先應該定義并初始化一個與74HC595對應的從機器件。這就還需要知道幾點重要的信息：數據位寬、模式、最高速率和片選引腳。

要獲取這些信息，就必須查看芯片相關的數據手冊和相應的硬件電路。74HC595是一種常用的串行輸入/并行輸出轉換芯片，其引腳分布圖詳見圖7.8。

圖7.8 74HC595管腳圖

74HC595內部有兩個8位寄存器：一個移位寄存器和一個數據鎖存寄存器。移位寄存器的8位數據使用Q0’ ~ Q7’表示，其中僅Q7’位對應的電平通過Q7’引腳輸出，其余位未使用引腳輸出。數據鎖存寄存器的8位數據使用Q0 ~ Q7表示，并使用Q0 ~ Q7引腳將8位數據輸出。

移位寄存器在時鐘信號CP的作用下，每個上升沿將D引腳電平移至移位寄存器的最低位，其余位依次向高位移動，移位寄存器的值發生改變，Q7’引腳的輸出隨著值的改變而改變，但此時，數據鎖存寄存器中的值保持不變，即Q0 ~ Q7的輸出保持不變。由此可見，由于移位作用，原移位寄存器中的最高位Q7’將被完全移除，數據丟失。若希望數據不丟失，即并行輸出的數據超過8位，則可以將多個74HC595串接，將Q7’引腳連接至下一個74HC595的數據輸入端D。這樣，每次移位時，原先的Q7’將移動至下一個74HC595中，這也是為什么單獨將Q7’通過引腳引出的原因，通過多個74HC595級聯，可以將并行輸出擴展為16位、24位、32位等。

數據鎖存寄存器的值可以通過STR引腳輸入上升沿信號更新，當STR引腳輸入上升沿信號時，數據鎖存寄存器中的值將更新為移位寄存器中的值，即Q0 ~ Q7的值更新為Q0’~Q7’的值。這樣的設計可以保證同時改變所有并行輸出，將8位數據一次性地在Q0 ~ Q7端輸出，如果不使用數據鎖存寄存器，而是直接將移位寄存器的值輸出，則輸出將受到移位過程的影響，即每次移位，數據輸出都可能發生變化。

除基本的CP時鐘信號、D數據輸入信號、STR鎖存信號、Q0 ~ Q7輸出信號、Q7’輸出信號外，還有和兩個控制信號，為鎖存寄存器的輸出使能信號，當

74HC595傳輸數據的過程為：D端為數據輸入口，在時鐘CP的作用下每次傳輸一位數據至移位寄存器中，如需傳輸8位數據，則應在CP端輸入8個時鐘信號，傳輸結束后，需要在STR上產生一個上升沿信號，以便將移位寄存器中的數據輸出。由此可見，其數據傳輸的方式和SPI傳輸數據的方式極為相似，均是在時鐘信號的同步下，每個時鐘傳輸一位數據，特殊的，74HC595在傳輸結束后需要在STR上輸入一個上升沿鎖存信號。實際上，在SPI傳輸中，傳輸數據前，主機會將片選信號拉低，傳輸結束后，主機會將片選信號拉高，顯然，若將STR作為從機片選信號由主機控制，則在數據傳輸結束后，主機會將片選信號拉高，同樣可以達到在STR上產生上升沿的效果。

基于此，可以將74HC595看作一個SPI從機器件，SPI主機的SCLK時鐘信號與CP相連，MOSI作為主出從入，與D相連，CS作為片選信號，與STR相連。此外，74HC595作為一個串/轉并芯片，只能輸出數據，不能輸入數據，即SPI主機只需向74HC595發送數據，不需要從74HC595接收數據，因此，無需使用SPI的MISO引腳。

MiniPort-595模塊采用74HC595擴展8路I/O，可以直接驅動LED顯示模塊，其等效電路詳見圖7.9。由此可見，模塊僅有3路信號輸入，但可并行輸出8位數據。電路中，將 直接接地，固定為低電平，使能了數據鎖存寄存器的輸出。將 直接與電源連接，固定為高電平，即不使用其復位功能，使其不影響移位寄存器的值。

圖7.9 74HC595電路圖

實際中，當MiniPort-595與i.MX28x的擴展板連接時，MOSI、SCLK與i.MX28x的SPI0連接，片選信號CS與PIO2_19連接。

在初始化與74HC595對應的SPI從機器件實例時，還需要獲取到數據寬度、SPI模式、最高時鐘頻率等信息。即：

• 數據寬度

74HC595只有8個并行輸出口，內部寄存器也均為8位，因此，單次傳輸的數據為8位，SPI傳輸時的數據寬度即為8。

• SPI模式

數據在CP時鐘信號的上升沿被采樣送入74HC595的移位寄存器，對空閑時鐘電平沒有要求，根據SPI幾種模式的定義可知（詳見圖7.6和圖7.7），模式0和模式3均是在時鐘上升沿采樣數據，因此，使用模式0和模式3均可，后續的程序選擇模式3作為范例。

• 最高時鐘頻率

雖然74HC595支持的最高時鐘頻率可達100MHz，但實際中，受到MCU處理速度的限制以及MCU輸出引腳翻轉頻率的限制，往往并不能達到該值。因此，最高時鐘頻率可以先設置在一個相對合理的范圍，比如，3000000Hz（3MHz）。后續若3MHz不滿足應用需求，可以在此基礎上根據需要調大調小即可。

基于以上信息，可以定義并初始化一個與74HC595對應的SPI從機器件實例，范例詳見程序清單7.20。

程序清單7.20 初始化從機器件實例的范例程序

3. 設置SPI從機器件實例

設置SPI從機實例時，會檢查MCU的SPI主機是否支持從機實例的相關參數和模式。如果不能支持，則設置失敗，說明該從機不能使用。其函數原型為：

其中，p_dev是指向SPI從機器件實例的指針。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示設置成功，否則，表示設置失敗，存在不支持的位寬、速率或模式等。

例如，在完成74HC595的初始化后，再通過該接口設置一次74HC595器件實例，范例程序詳見程序清單7.21。

程序清單7.21 設置SPI從機器件實例的范例程序

4. 先寫后讀

當設定好從機實例后，即可與從機器件進行數據交互。雖然SPI協議是可以全雙工通信的，即數據的發送和接收同時進行，但絕大部分情況下，并不會同時發送數據或接收數據，往往數據時單向進行的，即發送的時候不接收數據，或接收的時候不發送數據。

基于常見的SPI從機器件的操作方法，AWorks定義了兩種情形下的數據通信：先寫入一段數據至從機，再讀取一段數據；先寫入一段數據至從機，再寫入一段數據。之所以均是先寫入一段數據，是因為絕大多數數從機器件在操作前，首先都要發送一段命令數據至從機，以指定接下來的具體操作（讀數據或寫數據）。

先寫后讀即是主機先發送數據至從機（寫），再自從機接收數據（讀）。注意，該函數會等待數據傳輸完成后才會返回，因此該函數是阻塞式的，不應在中斷環境中調用。其函數原型為：

其中，p_dev指向從機器件實例，表示本次數據通信的目標對象，p_txbuf指向需要首先寫入從機的數據，n_tx為寫入數據的字節數。p_rxbuf指向數據發送完成后，接收數據的緩沖區，n_rx為接收數據的個數。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示數據傳輸成功，否則，表示數據傳輸失敗。

注意，若只需要寫入數據，不需要讀取數據，則可以將p_rxbuf設置為NULL，n_rx設置為0，同理，若只需要讀取數據，不需要發送數據，則可以將p_txbuf設置為NULL，n_tx設置為0。例如，需要發送數據至74HC595，以并行輸出8位數據0x55，則范例程序詳見程序清單7.22。

程序清單7.22 先寫后讀范例程序（1）

為了更加直觀的觀察輸出數據是否正確，可以將MiniPort-LED與MiniPort-595連接，等效電路圖詳見圖7.10，由此可見，74HC595的輸出端為低電平時，對應LED點亮， 0x55對應的二進制為01010101，因此，若成功輸出，則可以觀察到LED1、LED3、LED5和LED7被點亮，LED0、LED2、LED4和LED6被熄滅。

圖7.10 MiniPort-595 + MiniPort-LED等效電路圖

由于74HC595使用簡單，只能寫入數據，因此，上述范例程序并沒有用到讀取數據。實際上，對于常見的SPI從機器件，其通信協議往往都是采用“命令”+“數據”的格式。如典型的SPI FLASH從機器件：MX25L1606，在對其操作時，均需要先寫1字節的命令，后續再是具體的數據，具體數據的含義隨著命令的不同而不同。例如，每個MX25L1606內部具有一個3字節的電子ID號（RDID），如需讀取該ID，則需要先發送單字節的命令0x9f。則使用先寫后讀接口讀取ID的關鍵語句詳見程序清單7.23。

程序清單7.23 先寫后讀范例程序（2）

更多命令以及RDID的含義詳見相應的數據手冊，這里僅用于說明對于這種常見的操作方法，如何正確的使用SPI接口。

5. 連續兩次寫

連續兩次寫，即主機先發送一段數據至從機（寫），發送結束后，再發送一段數據至從機（寫）。注意，該函數會等待數據傳輸完成后才會返回，因此該函數是阻塞式的，不應在中斷環境中調用。其函數原型為：

其中，p_dev指向從機器件實例，表示本次數據通信的目標對象，p_txbuf0指向需要首先寫入從機的數據，n_tx0為寫入數據的字節數。p_txbuf0指向數據發送完成后，開始發送下一段數據，p_txbuf1指向需要再次寫入從機的數據，n_tx1為寫入數據的字節數。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示數據傳輸成功，否則，表示數據傳輸失敗。

注意，若只需要寫入一段數據，則可以將p_txbuf1設置為NULL，n_tx1設置為0。

同樣可以使用該接口發送數據至74HC595，例如，使用MiniPort-595控制MiniPort-LED，使LED0 ~ LED7依次循環點亮，實現簡易的流水燈效果，范例程序詳見程序清單7.24。

程序清單7.24 執行連續兩次寫的范例程序（1）

程序中，由于LED是低電平點亮，因此，通過74HC595輸出數據時，需要將data取反，以便使數據中與需要點亮的LED相應位的值為0。

由于74HC595只能寫入單字節數據，因此，上述范例程序并沒有使用到第二次的數據寫入，第二次寫入的數據緩沖區被設定為了NULL。為了更全面的說明該接口的用法，同樣以MX25L1606為例，如果要在SPI FLASH存儲器中存入一段數據，則應先發送命令0x02和存儲數據的起始地址（3字節，24位），接著再發送實際的待存儲的數據。寫入數據至指定地址的關鍵語句詳見程序清單7.25。

程序清單7.25 執行連續兩次寫的范例程序（2）

實際中，寫入數據前，應確保相應區域被擦除，擦除同樣有相關的命令，更多命令以及數據存儲的注意事項詳見相應的數據手冊，這里僅用于說明連續兩次寫接口的使用方法。