第五章為深入淺出AMetal，本文內容為5.5 SPI 總線和5.6 I2C 總線。

5.5 SPI 總線

>>> 5.5.1 初始化

在使用SPI 通用接口前，必須先完成SPI 的初始化，以獲取標準的SPI 實例句柄。LPC82x支持SPI 功能的外設有SPI0 和SPI1，為方便用戶使用，AMetal 提供了與各外設對應的實例初始化函數，詳見表5.10。

表5.10 SPI 實例初始化函數（am_lpc82x_inst_init.h）

這些函數的返回值均為am_spi_handle_t 類型的SPI 實例句柄，該句柄將作為SPI 通用接口中handle 參數的實參。類型am_spi_handle_t（am_spi.h）定義如下：

因為函數返回的SPI 實例句柄僅作為參數傳遞給SPI 通用接口，不需要對該句柄做其它任何操作，因此完全不需要了解該類型。注意，若函數返回的實例句柄的值為NULL，則表明初始化失敗，不能使用該實例句柄。

如需使用SPI0，則直接調用SPI0 實例初始化函數，即可獲取對應的實例句柄：

>>>5.5.2 接口函數

MCU 的SPI 主要用于主從機的通信，AMetal 提供了8 個接口函數，詳見表5.11。

表5.11 SPI 標準接口函數

1． 從機實例初始化

對于用戶來說，使用SPI 往往是直接操作一個從機器件，MCU 作為SPI 主機，為了與從機器件通信，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。這就需要定義一個與從機器件對應的實例（從機實例），并使用相關信息完成對從機實例的初始化。其函數原型為：

p_dev 是指向SPI 從機實例描述符的指針，am_spi_device_t 在am_spi.h 文件中定義：

該類型用于定義從機實例，用戶無需知道其定義的具體內容，只需要使用該類型定義一個從機實例。即：

mode 指定使用的模式，SPI 協議定義了4 種模式，詳見表5.12。各種模式的主要區別在于空閑時鐘極性（CPOL）和時鐘相位選擇（CPHA）的不同。CPOL 和CPHA 均有兩種選擇，因此兩兩組合可以構成4 種不同的模式，即模式0~3。當CPOL 為0 時，表示時鐘空閑時，時鐘線為低電平，反之，空閑時為高電平；當CPHA 為0 時，表示數據在第1 個時鐘邊沿采樣，反之，則表示數據在第2 個時鐘邊沿采樣。

表5.12 SPI 常用模式標志

cs_pin 和pfunc_cs 均與片選引腳相關。pfunc_cs 是指向自定義片選控制函數的指針，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，片選控制將完全由應用實現。當需要片選引腳有效時，驅動將自動調用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，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 為片選引腳，如PIO0_13。使用范例詳見程序清單5.60。

程序清單5.60 am_spi_mkdev()范例程序

2． 設置從機實例

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：

其中的p_dev 是指向SPI 從機實例描述符的指針，如果返回AM_OK，說明設置成功；如果返回-AM_ENOTSUP，說明設置失敗，不支持的位寬、模式等，詳見程序清單5.61。

程序清單5.61 am_spi_setup()范例程序

3． 傳輸初始化

在AMetal 中，將收發一次數據的過程抽象為一個“傳輸”的概念，要完成一次數據傳輸，首先就需要初始化一個傳輸結構體，指定該次數據傳輸的相關信息。其函數原型為：

其中，p_trans 為指向SPI 傳輸結構體的指針，am_spi_transfer_t 類型是在am_spi.h 中定義的。即：

在實際使用時，只需要定義一個該類型的傳輸結構體即可。比如：

表5.13 傳輸特殊控制標志

因為SPI 是全雙工通信協議，所以單次傳輸過程中同時包含了數據的發送和接收。函數的參數中，p_txbuf 指定了發送數據的緩沖區，p_rxbuf 指定了接收數據的緩沖區，nbytes 指定了傳輸的字節數。特別地，有時候可能只希望單向傳輸數據，若只發送數據，則可以設置p_rxbuf 為NULL；若只接收數據，則可以設置p_txbuf 為NULL。

當傳輸正常進行時，片選會置為有效狀態，cs_change 的值將影響片選何時被置為無效狀態。若cs_change 的值為0，表明不影響片選，此時，僅當該次傳輸是消息（多次傳輸組成一個消息，消息的概念后文會介紹）的最后一次傳輸時，片選才會被置為無效狀態。若cs_change 的值為1，表明影響片選，此時，若該次傳輸不是消息的最后一次傳輸，則在本次傳輸結束后會立即將片選設置為無效狀態，若該次傳輸是消息的最后一次傳輸，則不會立即設置片選無效，而是保持有效直到下一個消息的第一次傳輸開始，詳見程序清單5.62。

程序清單5.62 am_spi_mktrans()范例程序

4． 消息初始化

一般來說，與實際的SPI 器件通信時，往往采用的是“命令”+“數據”的格式，這就需要兩次傳輸：一次傳輸命令，一次傳輸數據。為此，AMetal 提出了“消息”的概念，一個消息的處理即為一次有實際意義的SPI 通信，其間可能包含一次或多次傳輸。

一次消息處理中可能包含很多次的傳輸，耗時可能較長，為避免阻塞，消息的處理采用異步方式。這就要求指定一個完成回調函數，當消息處理完畢時，自動調用回調函數以通知用戶消息處理完畢?；卣{函數的指定在初始化函數中完成，初始化函數的原型為：

其中的p_msg 為指向SPI 消息結構體的指針，am_spi_message_t 類型是在am_spi.h 中定義的。即：

實際使用時，僅需使用該類型定義一個消息結構體。即：

pfn_callback 指向的是消息處理完成回調函數，當消息處理完畢時，將調用指針指向的函數。其類型am_pfnvoid_t 在am_types.h 中定義的。即：

由此可見，函數指針指向的是參數為void *類型的無返回值函數。驅動調用回調函數時，傳遞給該回調函數的void*類型的參數即為p_arg 的設定值，詳見程序清單5.63。

程序清單5.63 am_spi_msg_init()范例程序

5． 在消息中添加傳輸

一次消息處理中包含單次或多次的傳輸，在消息處理前，需要將消息和相關的傳輸關聯起來。該函數用于添加一個傳輸至消息中，其函數原型為：

其中，p_msg 指向am_spi_msg_init()初始化的消息，p_trans 指向am_spi_mktrans()初始化的傳輸?？梢远啻问褂迷摵瘮狄员阆蛞粋€消息中添加多個傳輸，由于每次都將傳輸添加在消息的尾部，因此先添加的傳輸先處理，后添加的傳輸后處理，詳見程序清單5.64。

程序清單5.64 am_spi_trans_add_tail()范例程序

6． 啟動SPI 消息處理

該函數用于啟動消息的處理，其函數原型為：

其中，p_dev 為指向SPI 從機實例描述符的指針，用于指定本次消息處理中收發數據的從機對象；p_msg 為指向本次需要處理的SPI 消息結構體的指針。如果返回AM_OK，說明啟動成功，當消息中所有的傳輸依次處理完畢時，將調用初始化消息時指定的處理完畢回調函數；如果返回-AM_EINVAL，說明因參數錯誤啟動失敗，詳見程序清單5.65。

程序清單5.65 am_spi_msg_start ()范例程序

在這里，定義了一個初始值為0 的變量complete_flag，在初始化消息時，將它的地址作為回調函數的參數，因此在回調函數中，p_arg 就是指向complete_flag 的指針，可以通過該指針將complete_flag 的值修改為1，如果檢測complete_flag 的值為1，表明消息處理完成。

7． 先寫后讀

SPI 傳輸和SPI 消息實現數據的發送和接收使得SPI 的使用非常靈活，可以支持豐富的SPI 從機器件。但正因為其靈活性，使得接口較多，使用起來較為繁瑣。對于絕大部分SPI從機器件，并不需要如此靈活，只需要實現簡單的數據發送和接收就可以了，基于此，AMetal提供了兩種十分常用的情形：寫入一段數據后讀取一段數據（先寫后讀）；寫入一段數據后再寫入一段數據（連續兩次寫）。

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：

如果返回AM_OK，說明數據寫和讀成功完成；如果返回-AM_EINVAL，說明由于參數錯誤導致數據寫和讀失??；如果返回-AM_EIO，說明在數據寫或讀的過程中發生錯誤，詳見程序清單5.66。

程序清單5.66 am_spi_write_then_read()范例程序

8． 連續兩次寫

連續兩次寫即是主機先發送緩沖區0 的數據至從機（寫），再發送緩沖區1 的數據至從機（寫）。如果只需要發送一次數據，可以將第二次發送的數據緩沖區設置為NULL，并設置發送長度n_tx1 為0。值得注意的是，該函數同樣是阻塞式的，會等待兩次數據發送完成后才會返回，不應在中斷環境中調用。其函數原型為：

如果返回AM_OK，說明消息處理成功；如果返回-AM_EINVAL，說明參數錯誤導致數據發送失敗；如果返回-AM_EIO，說明在發送數據的過程中發生錯誤，詳見程序清單5.67。

程序清單5.67 am_spi_write_then_write()范例程序

>>> 5.5.3 SPI 擴展接口

LPC824 與74HC595 的硬件連接詳見表5.14，當74HC595 作為SPI 從機時，數據僅需從MCU主機傳送至SPI 從機，無需讀取數據。對于MCU主機，數據是單向傳輸，只有數據輸出而沒有輸入，因此無需使用MISO。顯然，擴充74HC595僅占用MCU 的SCK、MOSI 與SSEL 引腳，即可實現8 位數據的輸出。

表5.14 74HC595 硬件連接

在使用SPI 驅動74HC595 時，必須先調用am_spi_mkdev()初始化與74HC595 對應的SPI從機實例。為此需要獲取到數據寬度、SPI 模式、最高時鐘頻率和片選引腳等信息。即：

• 數據寬度：74HC595 只有8 個并行輸出口，因此每次傳輸的數據寬度為8 位。

• SPI 模式：8 位數據是在CP 時鐘信號上升沿作用下依次送入74HC595 的，因此在空閑時對時鐘沒有要求。如果選擇空閑時鐘極性為低電平（CPOL=0），則必須在第一個時鐘邊沿（上升沿）采樣數據（CPHA=0），即模式0。反之，如果選擇空閑時鐘極性為高電平(CPOL=1)，則必須在第二個時鐘邊沿（上升沿）采樣數據（CPHA=1），即模式3。因此選擇模式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 最高時鐘頻率高達100MHz，但MCU 最高主頻只有30MHz，因此最高時鐘頻率設置為一個相對合理的范圍，比如，3000000Hz（3MHz）。

• 片選引腳：片選引腳為PIO0_13。

有了這些信息，即可配置與74HC595 對應的SPI 從機實例，詳見程序清單5.68。

程序清單5.68 初始化與74HC595 對應的從機實例范例程序

接下來，可以使用消息的方式或者am_spi_write_then_write()和am_spi_write_then_read()進行數據的發送與接收。由于使用消息的方式進行數據發送時參數較多，因此暫不使用消息的方式。因為MCU 不需要從74HC595 中讀取數據，所以直接使用am_spi_write_then_write()進行數據發送，詳見程序清單5.69。

程序清單5.69 驅動74HC595 輸出的范例程序

為了方便后續使用，不妨封裝74HC595 的驅動程序，這樣就可以將74HC595 當作8 位I/O 口擴展接口來使用了。顯然，需要為74HC595 編寫初始化接口和數據輸出接口，其分別用于初始化與74HC595 對應的SPI 從機實例和用于輸出指定的8 位數，函數的聲明和實現詳見程序清單5.70 所示的hc595.h 和程序清單5.71 所示的hc595.c。

程序清單5.70 hc595.h 接口文件

程序清單5.71 hc595.c 實現文件

基于74HC595 的數據發送函數，可以實現使用74HC595 驅動數碼管顯示，以節省引腳。同I/O 驅動數碼管一致，使用軟件定時器實現數碼管的自動掃描，詳見程序清單5.72。

程序清單5.72 新增使用軟件定時器相關函數

同樣地，將新的代碼添加到digitron1.c 中，其相應的函數接口添加到程序清單4.47 所示的digitron1.h 中，詳見程序清單5.73。

程序清單5.73 digitron1.h 文件內容

顯然，程序與之前的代碼基本相同，僅僅是回調函數調用的掃描函數變化了，測試程序詳見程序清單5.74。

程序清單5.74 測試軟件定時器自動掃描

由于回調函數運行在中斷環境，而am_spi_write_then_write()要等到數據發送完畢后才會返回，因此是阻塞式的，所以調用該函數實現的hc595_send_data()不能在中斷環境中使用。為了實現非阻塞式的（異步）數據發送函數，可以使用SPI 消息的方式實現發送數據。為了區分與之前的hc595_send_data()，將其命名為hc595_send_data_async()，詳見程序清單5.75。

程序清單5.75 hc595_send_data_async()函數范例

在發送數據時，要先將數據data 保存g_tx_buf 中。因為使用SPI 消息的方式發送數據時，函數是異步的，會立即返回，函數返回后，因data 是局部變量，其地址空間就被釋放了。驅動獲取需要發送的數據時，是在緩沖區表明的地址中取數據，因此必須保證緩沖區在整個數據傳輸過程中都是有效的。這里使用了一個全局變量來保存數據，使得緩沖區一直有效。為什么使用am_spi_write_then_write()函數不需要這樣做呢？因為這個函數是同步的，會等到數據發送完畢后才返回，在整個數據傳輸過程中，data 的地址是有效的，不會被釋放。

這樣的異步傳輸函數可行嗎？如果使用者以較長的時間間隔來調用該函數，每次調用前，上一個數據傳輸都已經正確完成，則可以正常進行數據發送，不會出現問題。但是如果時間間隔很短，比如，連續2 次調用了該函數分別發送兩個數據，將導致上一個transfer 被覆蓋，造成一種嚴重錯誤。可以類似SPI 消息一樣增加一個回調函數，當數據發送完成后，調用回調函數通知用戶數據發送完畢。由于消息本身就有這一特性，因此只需要直接將用戶傳遞的回調函數作為SPI 消息初始化的回調函數參數即可，詳見程序清單5.76。

程序清單5.76 修改hc595_send_data_async()函數

為了便于后續使用，則將該函數的聲明存放到程序清單5.70 所示的hc595.h 中，詳見程序清單5.77。

程序清單5.77 hc595.h 文件內容

實現該異步數據發送函數后，即可實現在中斷環境中發送數據。顯然，使用軟件定時器實現數碼管自動掃描需要修改digitron_hc595_disp_scan()，使其調用hc595_send_data_async()來實現掃描。不妨使用一個標志位，當標志位置1 時，說明傳輸完成，詳見程序清單5.78。

程序清單5.78 修改digitron_hc595_disp_scan()函數（1）

程序使用g_flag 變量來標志消影段碼是否傳輸結束，初看起來并沒有什么問題，這是一種通用的編程方法。但的確犯了一個很嚴重的錯誤，由于該函數直接使用了阻塞式while()循環等待語句，雖然hc595_send_data_async()是異步的，但加上等待語句后，又將掃描函數

變成阻塞式的了，因此該掃描函數還是無法在中斷環境中使用。

掃描一次數碼管，首先需要傳送消影段碼（0xFF），接著確定相應的位選，然后傳送顯示段碼，即會在極短的時間內調用2 次段碼傳送函數（消影段碼和顯示的段碼）。顯然，消影段碼沒有傳送完畢不能傳送顯示段碼，由于消影段碼傳送完畢后會調用回調函數，為何不將后續代碼放到消影段碼傳送完成的回調函數中執行呢？詳見程序清單5.79。

程序清單5.79 修改digitron_hc595_disp_scan()函數（2）

程序只是將之前的掃描函數分成了兩部分，將消影段碼后的內容放到了回調函數中實現，解決了等待消影段碼傳送完畢的問題。那么后續發送正常顯示的段碼，還需要等待其結束嗎？其實在正常顯示的段碼傳送完成后，并不需要再做其它操作，因此可以不用設置回調函數。如果不利用回調函數判斷其是否傳送完畢，那再次掃描時，是否會因上次消息處理還未完成

而產生錯誤呢？下次掃描是在5ms 之后，由于SPI 傳輸速率很快，3MHz 的速率傳輸8 位數據只需要幾微秒，因此5ms 的時間足以使其傳輸完畢，因此能夠確保正常顯示的段碼傳送在下一次傳輸數據前成功完成。修改后的使用軟件定時器實現自動掃描的函數，由于接口并沒有改變，只是修改了實現，因此可以直接使用程序清單5.74 的范例程序來進行測試。

5.6 I2C 總線

絕大部分情況下，MCU 都作為I2C 主機與I2C 從機器件通信，因此這里僅介紹AMetal中與I2C 主機相關的接口函數。

>>> 5.6.1 初始化

在使用I2C 通用接口傳輸數據前，必須先完成I2C 的初始化，便于獲取I2C 實例句柄。在LPC824 中，支持I2C 功能的外設有：I2C0、II2C1、I2C2 和I2C3，各I2C 外設都提供了對應的實例初始化函數，詳見表5.15。

表5.15 I2C 實例初始化函數（am_lpc82x_inst_init.h）

這些函數返回值均為am_i2c_handle_t 類型的I2C 實例句柄，該句柄將作為I2C 通用接口中handle 參數的實參。類型am_i2c_handle_t（am_i2c.h）定義如下：

因為函數返回的I2C 實例句柄僅作為參數傳遞給I2C 通用接口，不需要對該句柄作其它任何操作，因此完全不需要對該類型作任何了解。注意，如果函數返回的實例句柄的值為NULL，表明初始化失敗，該實例句柄不能被使用。

如果使用I2C0，則直接調用I2C0 實例初始化函，即可獲取對應的實例句柄：

>>> 5.6.2 接口函數

在AMetal 中，MCU 作為I2C主機與I2C從機器件通信的相關接口函數詳見表5.16。

表5.16 I2C標準接口函數

1． 從機實例初始化

對于用戶來講，使用I2C的目的就是直接操作一個從機器件，比如，LM75、E2PROM等。MCU 作為I2C主機與從機器件通信，需要知道從機器件的相關信息，比如，I2C從機地址等。這就需要定義一個與從機器件對應的實例，即從機實例，并使用相關信息完成對從機實例的初始化。從機實例初始化函數的原型為：

其中，p_dev 為指向am_i2c_device_t 類型（am_i2c.h）I2C 從機實例的指針，該類型定義如下：

使用時無需知道該類型定義的具體內容，僅需使用該類型完成一個I2C 從機實例的定義：

其中，dev 為用戶自定義的從機實例，其地址作為p_dev 的實參傳遞。dev_flags 為從機實例的相關屬性標志，可分為3 大類：從機地址的位數、是否忽略無應答和器件內子地址（通常又稱之為“寄存器地址”）的字節數。具體可用屬性標志詳見表5.17，可使用“|”操作連接多個屬性標志。

表5.17 從機設備屬性

使用范例詳見程序清單5.80。

程序清單5.80 am_i2c_mkdev()范例程序

2． 寫操作

向I2C 從機實例指定的子地址中寫入數據的函數原型為：

如果返回值為AM_OK，表明寫入數據成功；如果返回值為其它值，表明寫入數據失敗。范例程序詳見程序清單5.81。

程序清單5.81 am_i2c_write()使用范例

3． 讀操作

從I2C從機實例指定的子地址中讀出數據的函數原型為：

如果返回值為AM_OK，表明讀取數據成功；如果返回值為其它值，表明讀取數據失敗，其相應的范例程序詳見程序清單5.82。

程序清單5.82 am_i2c_read()使用范例

>>> 5.6.3 I2C擴展接口

在使用am_i2c_read()函數前，需要先使用am_i2c_mkdev()初始化與LM75B 對應的I2C從機實例，便于LPC824 讀取溫度值。初始化從機實例時，還需要知道兩個重要的信息：器件從機地址和實例屬性。

LM75B 的從機地址為7 位，1001xxx，其中地址位0~2 分別與硬件連接的A0~A2 一一對應。由于A0~A2 均與地連接，因此xxx 的值均為0，LM75B 的從機地址為0x48。

實例屬性可分為從機地址屬性、應答屬性和器件內子地址屬性，LM75B 的從機地址為7 位，其對應的屬性標志為AM_I2C_ADDR_7BIT。如果從機實例不能應答，則設置AM_I2C_IGNORE_NAK 標志。一般來說，標準的I2C從機實例可產生應答信號，除非特殊說明，否則都不需要該標志。

LM75B 共計有4 個寄存器，詳見表5.18。由于寄存器的地址都為8 位，因此器件內子地址為一個字節，對應的屬性標志為：AM_I2C_SUBADDR_1BYTE。由于只有一個字節，所以沒有高字節與低字節之分， 也就不需要AM_I2C_SUBADDR_MSB_FIRST 或AM_I2C_SUBADDR_LSB_FIRST 標志。

表5.18 寄存器功能

使用am_i2c_mkdev()初始化一個LM75 從機實例的示例代碼詳見程序清單5.83。

程序清單5.83 初始化一個與LM75 對應的I2C 從機實例

初始化從機實例后，即可使用am_i2c_read()讀取溫度值，由表5.18 可知，溫度值存于地址為0x00 的寄存器中，包含了兩個字節的溫度值，且是只讀的。因此，可以直接使用am_i2c_read()讀取子地址為0x00 的兩字節內容，即溫度值，使用范例詳見程序清單5.84。

程序清單5.84 讀取溫度值

讀取的這兩字節數據表示的溫度值是多少呢？這兩個字節具體表示的溫度值的含義可從芯片的數據手冊獲取。溫度是以雙字節16 位二進制補碼方式表示的，分別保存在字節0和字節1 中，首先讀出的是字節0 的數據。字節0 中保存了溫度的整數部分，字節1 中保存溫度的小數部分，僅高3 位有效，因此溫度的分辨率為1/23 = 0.125℃。

如果將字節0 和字節1 合并為一個16 位有符號整數的話，則這個16 位有符號整數便是實際溫度的256（28）倍。如果系統支持浮點數，則使用以下公式即可獲得當前溫度值：

當前溫度值（浮點數變量）= （字節0 的值×28 + 字節1 的值）/ 256.0

在沒有硬件浮點運算單元的MCU 中，這樣的公式在計算時效率是非常低的。在實際使用過程中，一般也并不需要得出浮點數的溫度值，僅僅在使用時稍加處理即可。比如，對于數碼管顯示溫度值，只需要分別顯示溫度值的整數部分（使用整數表示）和小數部分（使用整數表示）即可，并不需要計算出浮點數。LM75 的接口函數聲明詳見程序清單5.85。

程序清單5.85 LM75 接口（lm75.h）

其中，lm75_read()的作用是讀取LM75 溫度值，其返回值（16 位有符號數）為實際溫度的256 倍，其相應的實現（lm75.c）詳見程序清單5.86。

程序清單5.86 LM75 接口的實現（lm75.c）