1458.串行外設接口(SPI)及其應用畢業(yè)論文

1、學士學位論文（二八屆）論文題目：串行外設接口(spi)及其應用 論文作者： 學 號： 專業(yè)方向： 通信工程 指導老師： 二八年五月本科畢業(yè)論文（設計）開題報告學生姓名學 號專 業(yè)通信工程年 級論 文題 目串行外設接口(spi)及其應用本課題的研究現(xiàn)狀串行外設接口實質(zhì)上是一個將串行傳輸數(shù)據(jù)位發(fā)送到其它spi 的移位寄存器，但在現(xiàn)實中應用的很廣泛，由于許多芯片在數(shù)據(jù)交換時都應用了spi技術，所以本文就顯得有必要讓大家更加了解spi。研究目的、意義在數(shù)字技術高速發(fā)展的今天,有許多芯片被用作數(shù)據(jù)交換的核心器件,以起到承上啟下數(shù)據(jù)交換的樞紐作用,或者是在集成電路之間進行數(shù)據(jù)的存儲和顯示等,如果需要,它既

2、可以將數(shù)字信號進行 d/ a 轉(zhuǎn)換,以便進行功率放大和信息發(fā)送,也可以將外部模擬信號進行a/ d 轉(zhuǎn)換,以便于同數(shù)字邏輯電路進行數(shù)據(jù)交換,減輕數(shù)字邏輯電路處理數(shù)據(jù)的壓力。這些芯片同數(shù)字邏輯電路的接口很多采用 spi(serial peripheral interface) 接口技術，所以spi主要用于外設和數(shù)據(jù)交換。研究內(nèi)容、研究方法本文研究的內(nèi)容主要以作者所經(jīng)歷的項目有關，所采集的四路開關量在遇到斷開時需通過can總線等存儲到flash中，那就是通過spi總線傳輸?shù)?。本文并不是完全通過文字描述的方式介紹spi，所列舉的代碼完全經(jīng)過作者的驗證與應用。使論文更加有說服力。當然由于項目并沒有完全結

3、束所以，我所寫的內(nèi)容還是比較簡單。論文撰寫提綱一、系統(tǒng)分析（一）、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及使用工具（二）、at91sam7x256簡介二、工作原理（一）、spi總線簡介三、實際應用（一）、at91sam7x256的串行外設接口（spi）流程圖（二）、at45db321c簡介（三）、at45db321c讀寫代碼實現(xiàn)（四）、外設數(shù)據(jù)控制器 (pdc) （五）、通過spi接口讀寫數(shù)據(jù)的代碼實現(xiàn)主要參考文獻1、基于atmel arm7系列嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)設計m 焦海波，劉健康 北京航空航天大學出版社 2008年4月第1版2、easyarm2100開發(fā)套件用戶指南m 周立功 等編著 2005年1月28日 3、c p

4、rimer plus m 著 譯 者：stephen.prata、云顛工作室 人民郵電出版社 2005年2月第1版4、數(shù)據(jù)結構（c語言版本）m 嚴蔚敏 吳偉民 編著 清華大學出版社 1997年4月第1版5、at91sam7x256 數(shù)據(jù)手冊6、at45db321c 數(shù)據(jù)手冊 論文進度安排2008年2月初，選定課題，進行了大量的資料收集以及查詢工作。2008年3月初，制作了課題的大綱，并且得到指導老師的通過。2008年3月至4月中旬，進行了內(nèi)容的編輯和校對，在此期間，多次與指導老師和課題小組同學溝通和商議，最終確定了初稿。2008年4月下旬，在老師以及同學的幫助下修改初稿，最終定稿。2008年5

5、月初，通過了指導教師的審核，最終完成論文。指導教師意見指導老師簽字：年 月 日系審核意見負責人簽字：年 月 日 教務處制表本科畢業(yè)論文(設計)任務書 姓 名學 號年 級系 別信息工程分院專 業(yè)通信工程指導教師職 稱講師單 位通信教研室論文題目串行外設接口(spi)及其應用論 文主 要內(nèi) 容本文所涉及的內(nèi)容主要與作者所經(jīng)歷的項目有關。主要內(nèi)容對spi原理的介紹和spi實際項目的應用，論文中有相當?shù)拇a都經(jīng)作者作了論證。主 要參 考文 獻1、基于atmel arm7系列嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)設計m 焦海波，劉健康 北京航空航天大學出版社 2008年4月第1版2、easyarm2100開發(fā)套件用戶指南m 周

6、立功 等編著 2005年1月28日 3、c primer plus m 著 譯 者：stephen.prata、云顛工作室 人民郵電出版社 2005年2月第1版4、數(shù)據(jù)結構（c語言版本）m 嚴蔚敏 吳偉民 編著 清華大學出版社 1997年4月第1版5、at91sam7x256 數(shù)據(jù)手冊6、at45db321c 數(shù)據(jù)手冊 寫 作進 度安 排論文進度安排2008年2月初，選定課題，進行了大量的資料收集以及查詢工作。2008年3月初，制作了課題的大綱，并且得到指導老師的通過。2008年3月至4月中旬，進行了內(nèi)容的編輯和校對，在此期間，多次與指導老師和課題小組同學溝通和商議，最終確定了初稿。2008年

7、4月下旬，在老師以及同學的幫助下修改初稿，最終定稿。2008年5月初，通過了指導教師的審核，最終完成論文。教研室審定意見: 教研室主任簽字: 年 月 日 教務處制表目 錄一、引言9二、系統(tǒng)分析10（一）、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及使用工具101. arm集成開發(fā)工具介紹102 h-jtag介紹103. 開發(fā)板及周邊硬件介紹11（二）、at91sam7x256簡介12三、工作原理13（一）、spi總線簡介131.spi方框圖（圖3.1）132.時鐘產(chǎn)生（clock generation）143.傳輸延遲（transfer delays）144.工作模式145、數(shù)據(jù)傳輸方式17四、spi接口實際應用18（一）

8、、at91sam7x256的串行外設接口（spi）流程圖18（二）、1.at45db321c簡介191.引腳說明（表2）202.讀寫flash方框圖213. flash存儲模塊的設計與實現(xiàn)（at45db321c）214.寫操作225.讀操作23（三）、讀寫at45db321c的完整代碼（詳見附錄1）25（四）、外設數(shù)據(jù)控制器(pdc)( peripheral dma controller)251. pdc應用方框圖（圖4.13）262.pdc配置263.外設數(shù)據(jù)控制器 (pdc) 寄存器映射（圖4.14）274.pdc傳輸控制寄存器（圖4.15）275.pdc傳輸狀態(tài)寄存器（圖4.16）286

9、.pdc代碼設置28（五）、通過spi接口讀寫數(shù)據(jù)的代碼實現(xiàn)（詳見附錄2）29五、總結29六、參考文獻29七、注釋29八、附錄301.讀寫flash的完整代碼302.通過spi讀寫數(shù)據(jù)的代碼363.系統(tǒng)設計的硬件環(huán)境38九、致謝38串行外設接口(spi)及其應用 【摘要】：spi ( serial peripheral interface 串行外設接口) 總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口,允許mcu 與各種外圍設備以串行方式進行通信、數(shù)據(jù)交換。外圍設備包括flash、a/ d 轉(zhuǎn)換器、mcu 等。spi 系統(tǒng)接口,一般使用4 條線:串行時鐘線(sck) 、主機輸入/ 從機輸出數(shù)據(jù)線miso、主機

10、輸出/ 從機輸入數(shù)據(jù)線mosi和低電平有效的從機選擇線ss。 【abstract】：spi (serial peripheral interface - spi) bus system is a kind of synchronous serial peripheral interface, allowing mcu with a variety of peripheral devices to serial form of communication, data exchange. the peripheral equipment including flash, a / d convert

11、er, mcu and so on. spi system interface, the general use of four lines: serial clock line (sck), master input/slave output data from the machine-miso, master output/slave input data from the machine-mosi effective and low-choice line from the ss.【關鍵詞】：spi、flash、at45db321c、串行外設接口一、引言嵌入式系統(tǒng)無疑是當前最熱門最有發(fā)展

12、前途的it應用領域之一。嵌入式系統(tǒng)用在一些特定專用設備上，通常這些設備的硬件資源（如處理器、存儲器等）非常有限，并且對成本很敏感，有時對實時響應要求很高等。特別是隨著消費家電的智能化，嵌入式更顯重要。像我們平常常見到的手機、pda、電子字典、可視電話、vcd/dvd/mp3 player、數(shù)字相機（dc）、數(shù)字攝像機(dv)、機頂盒(set top box)、高清電視(hdtv)、游戲機、智能玩具、交換機、路由器等等都是典型的嵌入式系統(tǒng)。驅(qū)動程序的人目前是非常緊缺的（驅(qū)動程序也可歸于嵌入式范疇），包括桌面windows中的ddk開發(fā)環(huán)境和wdm驅(qū)動程序。公司每時每刻都要推出新產(chǎn)品，每一個新產(chǎn)品

13、出來了，要能被操作系統(tǒng)所使用，是必須寫驅(qū)動程序的。在數(shù)字技術高速發(fā)展的今天,有許多芯片被用作數(shù)據(jù)交換的核心器件,以起到承上啟下數(shù)據(jù)交換的樞紐作用,或者是在集成電路之間進行數(shù)據(jù)的存儲和顯示等,如果需要,它既可以將數(shù)字信號進行d/a 轉(zhuǎn)換,以便進行功率放大和信息發(fā)送,也可以將外部模擬信號進行a/d轉(zhuǎn)換,以便于同數(shù)字邏輯電路進行數(shù)據(jù)交換,減輕數(shù)字邏輯電路處理數(shù)據(jù)的壓力。這些芯片同數(shù)字邏輯電路的接口很多采用 spi(serial peripheral interface) 接口技術。spi，是英語serialperipheralinterface的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。是motorola

14、首先在其mc68hcxx系列處理器上定義的。spi接口主要應用在eeprom，flash，實時時鐘，ad轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。spi，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為pcb的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如at91rm9200。二、系統(tǒng)分析（一）、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及使用工具 本系統(tǒng)在windows2000 sp1環(huán)境下開發(fā)，使用了arm集成開發(fā)工具開發(fā)，使用h-jtag作為仿真調(diào)試軟件。 硬件方面，使用了arm7系列的at91sam7x256芯片，

15、ad轉(zhuǎn)換模塊使用了深圳芯海公司的cs11 80芯片，flash存儲芯片采用了atmel公司的at45db321c，各組件的詳細內(nèi)容將在接下來的章節(jié)里詳細介紹。 1. arm集成開發(fā)工具介紹arm集成開發(fā)工具（arm developer suite），簡稱ads，是一套集ide，仿真調(diào)試功能于一身的集成工具，本系統(tǒng)的開發(fā)過程中使用的是其1.2版本，該版本可以在windowsnt，windows2000，windowsxp等多個操作系統(tǒng)下使用。2 h-jtag介紹 當我們編寫的程序運行出錯，執(zhí)行結果不是預想的那樣時，仿真器可以給我們的程序調(diào)試帶來很大的幫助。通過仿真器，可以在調(diào)試主機上控制目標板實

16、現(xiàn)單步運行、全速運行、停止、斷點等功能，可以觀察芯片內(nèi)部的每個寄存器的值和存儲器的內(nèi)容。使用仿真器，使查找錯誤變得十分方便，有利于編寫出可靠的程序，可以極大地提高工作效率。 jtag (joint test action group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議（ieee 1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測試和系統(tǒng)仿真調(diào)試，通過jtag接口，可以訪問芯片內(nèi)部所有部件，而不占用其它任何片上資源，屬于完全非插入式調(diào)試。這種調(diào)試方法，目標程序仍然在目標板上執(zhí)行，仿真時的硬件結構和實際運行時一致，因此，這種仿真方法最接近于系統(tǒng)實際運行時的狀況，不會由于仿真器的插入帶來線路板物理參數(shù)的改

17、變，程序在仿真調(diào)試下執(zhí)行的結果就是實際運行時的結果。arm的jtag接口是由5條信號線：trst、tms、tck、tdi、tdo，分別為測試復位輸入信號、模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。jtag 仿真器是通過 arm 芯片的 jtag 接口進行調(diào)試的一種設備。它的一個端口和被仿真arm芯片的jtag端口連接，另一端則和調(diào)試主機相連，運行于調(diào)試主機上的調(diào)試軟件向仿真器發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，仿真器在這里起到一個協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用，利用jtag協(xié)議與被仿真arm通訊，完成調(diào)試主機和被仿真arm間的數(shù)據(jù)傳送?；趈tag仿真的種種優(yōu)點，現(xiàn)在普遍均采用jtag 仿真器進行開發(fā)。 而目前市面上的商業(yè)仿真器，性

18、能優(yōu)良，但是價格比較昂貴，因此我們選擇了wiggler仿真器，使用 wiggler jtag 仿真器，需要在計算機上運行一個 jtag 調(diào)試代理軟件。調(diào)試主機上運行的集成開發(fā)環(huán)境（例如 ads）發(fā)出的調(diào)試命令經(jīng)過一個調(diào)試代理進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將符合jtag協(xié)議的數(shù)據(jù)通過pc機并口輸出，通過并口的信號線調(diào)試代理軟件模擬jtag的時序，達到與被調(diào)試arm芯片通訊的目的。配合優(yōu)秀的jtag調(diào)試代理軟件，功能完全可以媲美各種商業(yè)仿真器。h-jtag 就是這樣一款仿真驅(qū)動軟件，由twentyone大蝦編寫，支持大多數(shù)主流調(diào)試環(huán)境，我們的ads1.2就是其中之一，同時它能支持所有的arm7/arm9處理器。3

19、. 開發(fā)板及周邊硬件介紹本系統(tǒng)使用的開發(fā)板采用了基于arm7tdmi的at91sam7x256芯片，arm7系列為低功耗32位核，最適用于對價位和功耗敏感的消費類應用。arm7系列的主要特點如下： . 嵌入式ice-rt邏輯，該部分被集成進了所有的arm處理器中，用于跟蹤、調(diào)試程序；. 極低功耗； . 能提供0.9mips/mhz（實際上就是1微秒處理0.9條指令）的三級流水線（取指、譯碼、執(zhí)行）和馮諾依曼結構； arm7tdmi是世界上廣泛使用的32位嵌入式risc處理器。它是目前用于低端的arm處理器核，應用范圍非常廣。 arm7tdmi的含義如下： . t 16位壓縮指令集thumb；

20、. d 支持片上調(diào)試，處理器可以響應調(diào)試指令以暫停程序的運行； . m 增強型乘法器（multiplier），與以前的處理器相比性能更高，其能夠產(chǎn)生全64位結果； . i 嵌入式ice邏輯，支持片上斷點和調(diào)試點。開發(fā)板同時使用了atmel的at45db321c flash芯片作為存儲介質(zhì)，使用了深圳芯海公司的cs1180芯片作為a/d轉(zhuǎn)換模塊，同時有l(wèi)ed，數(shù)碼管，4*4鍵盤燈周邊設備。開發(fā)板通過并口線與仿真器相連接同時通過pc的并口線進行與pc之間的通訊工作，其原理圖如下（圖2.1）。圖2.1（二）、at91sam7x256簡介at91sam7x256是atmel 32位arm risc 處

21、理器小引腳數(shù)flash微處理器家族的一員。它擁有256k 字節(jié)的高速flash 和64k 字節(jié)的sram，豐富的外設資源，包含802.3 以太網(wǎng)mac控制器和can總線控制器。flash存儲器可以通過jtag-ice 進行編程，或者是在貼裝之前利用編程器的并行接口進行編程。鎖定位可以防止固件不小心被改寫，而安全鎖定位則可以保護固件的安全。 at91sam7x256 的復位控制器可以管理芯片的上電順序以及整個系統(tǒng)bod 和看門狗則可以監(jiān)控器件是否正確工作。 arm核arm7tdmi， flash和sram和大量的外設包括usart, spi, can控制器，mac以太網(wǎng)，時間計數(shù)器，rtt，模數(shù)

22、轉(zhuǎn)換器都整合在這個芯片中。at91sam7x256是一個強大的設備能夠提供靈活的，有效的解決方案例如：以太網(wǎng)，can總線，以及無線網(wǎng)絡。三、工作原理（一）、spi總線簡介spi總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使mcu與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置flashram、網(wǎng)絡控制器、lcd顯示驅(qū)動器、a/d轉(zhuǎn)換器和mcu等。spi總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（sck）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線miso、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線most和低電平有效的從機選擇線ss(有的spi接口芯片帶有中斷信號線int或int、有的

23、spi接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線mosi)。 spi的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線（兩條數(shù)據(jù)線及兩條控制線），事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于spi的設備共有的，它們是mosi，miso，spck，nss。 主機輸出從機輸入(mosi)：該數(shù)據(jù)線將主機輸出數(shù)據(jù)作為從機輸入移入。 主機輸入從機輸出(miso)：該數(shù)據(jù)線將從機輸出作為主機輸入。傳輸時，只有單從機傳輸數(shù)據(jù)。 串行時鐘(spck)：該控制線由主機驅(qū)動，用來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流。主機傳輸數(shù)據(jù)波特率可變；每傳輸一位，產(chǎn)生一個spck 周期。 從機選擇(nss)：該

24、控制線是從設備使能信號，由主設備控制。1.spi方框圖（圖3.1）圖3.12.時鐘產(chǎn)生（clock generation）spi波特率時鐘由主機時鐘(mck)分頻產(chǎn)生，這使允許的最大波特率達到主機時鐘，而最小的時鐘為mck/255。以下是波特率的代碼實現(xiàn)：/ *spi模式為0(cpol:0,ncpha:1) 波特率為1mhz，片選有效之后延時12/mck時間之后輸出spck，兩個連續(xù)傳輸之間等待(32*1)/mck時間 *(int32u*)0xfffe0030=(int32u)0x11|(int32u)0x308|(int32u)0x0c16|(int32u)0x208); spi_hostw

25、ritebyte(int8u)(bfa); for(i = 0;i8);spi_hostwritebyte(int8u)bfa); spi_hostwritebyte(0x00); for(i=0;i4;i+) spi_hostwritebyte(0x00);for(i=0;iu8spiport.pspi-spi_ptcr = at91c_pdc_rxtdis | at91c_pdc_txtdis;/* 初始化spi pdc收發(fā)器spipstopt-u8spiport.pspi-spi_rpr = (int32u)pstopt-pbcmd;spipstopt-u8spiport.pspi-sp

26、i_rcr = pstopt-u8cmdlen;spipstopt-u8spiport.pspi-spi_tpr = (int32u)pstopt-pbcmd;spipstopt-u8spiport.pspi-spi_tcr = pstopt-u8cmdlen;spipstopt-u8spiport.pspi-spi_rnpr = (int32u)pstopt-pbdata;spipstopt-u8spiport.pspi-spi_rncr = pstopt-u32datalen;spipstopt-u8spiport.pspi-spi_tnpr = (int32u)pstopt-pbdata

27、;spipstopt-u8spiport.pspi-spi_tncr = pstopt-u32datalen;/* pdc傳輸、發(fā)送使能spipstopt-u8spiport.pspi-spi_ptcr = at91c_pdc_rxten | at91c_pdc_txten;（五）、通過spi接口讀寫數(shù)據(jù)的代碼實現(xiàn)（詳見附錄2）五、總結雖然我現(xiàn)在做的東西并不是系統(tǒng)的全部但是通過本系統(tǒng)的開發(fā)和研究，讓我進一步的了解到了我們所學的知識的局限性.在作項目研究開發(fā)之前,一片茫然,不知所措.萬事開頭難,我們就只好埋頭一切從零開始,先是穩(wěn)固c語言基礎,從基本的功能分析上,一步一步用c實現(xiàn).然后,通過我們項

28、目開發(fā)環(huán)境,下載移植代碼到arm板中,經(jīng)過h-jtag仿真器進行調(diào)試,初步穩(wěn)定代碼的正確性，總的流程就是如此.當然現(xiàn)在的進度還只局限在這個地步，以后的路更加艱辛。我們主要的工作時間大部分浪費編碼和調(diào)試中,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準確性是我們最受關注的.總之，一個系統(tǒng)程序在開發(fā)之前的需求分析工作影響整個的開發(fā)過程。從需求分析入手，做好各項準備工作，然后通過開發(fā)環(huán)境和相關開發(fā)工具，一步一步，循序漸進，步步為營,最終把一個我們理想中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足用戶的需要。六、參考文獻1、基于atmel arm7系列嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)設計m 焦海波，劉健康 北京航空航天大學出版社 2008年4月第1版2、easyarm2100開發(fā)套件用戶指南m 周立功 等編著 2005年1月28日 3、c primer plus m 著 譯 者：stephen.prata、云顛工作室 人民郵電出版社 2005年2月第1版4、數(shù)據(jù)結構（c語言版本