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嵌入式硬件通信接口协议-SPI(二)分层架构设计模拟接口

未知 2019-07-19 10:53

嵌入式软件分层设计

嵌入式软件就是某一项目的源码文件集合,源码文件的数量,根据项目复杂程度的不同而有规模和层次的差别。

就拿简单的一个芯片厂商提供的demo来说,代码也会被细分到寄存器操作(Drv层)、板级支持包接口(Bsp层)、功能模块验证(App层)等各层,但是这里的“分层”很多时候都不太明显,因为它仅仅是个demo,所谓的“分层”更多的还是人为给它做的定义。

真正意义的分层,是从代码的编码规范、程序的执行逻辑来体现的。

关于分层设计的意义在这暂不做太多的探讨,只是做个引子,来讲讲SPI接口的设计过程,如何设计一套拥有自己规范和方便移植的SPI接口。

SPI在分层架构中的设计思路

刚刚提到分层设计的思路,那么SPI作为一个通信接口,如果按照分层设计的思路,如何把接口设计得更合理,更方便?

此处需要设计的SPI是介于“应用”和“驱动”之间的,“应用”就是项目业务需求的功能模块将数据、数据包等传给SPI接口,而“驱动”是SPI接口拿到数据包后,把数据转变为SPI的时序发送出去。

当我们拿到一款芯片,大多数情况下官方提供的demo程序已经给我们实现好了很多的驱动(或者自己从网络资源中Download),各个接口的驱动,已经被封装成函数或者库供我们直接调用。

想象一下我们的项目工程,如果需要操作芯片硬件接口的时候,直接调用官方提供的接口函数,虽然能实现功能,但是在需要更换芯片平台的时候,就需要在繁杂的、与业务需求相关的应用层里找和去修改为目标驱动接口。

这里就牵扯到了分层设计的优势所在:由于平台的更换,驱动接口已经变了样,那么对代码的移植就会变得非常费力,不仅是脑力活,更是体力活(即使可以批量替换,你也需要仔细核对接口,更要解决接口的差异性)。

而此时如果是分层设计的,在应用和驱动中间有个BSP层,应用层调用的只是BSP层,完全不涉及驱动、寄存器,不涉及与芯片平台相关的接口,那么即使平台怎么更换、驱动怎么改变,你只需要改变BSP层的具体实现,相对就轻松很多了。

从上一篇《嵌入式硬件通信接口协议-SPI(一)协议基础》对SPI协议的介绍,设计BSP层的时候,根据SPI可配置项来设计接口功能。设计BSP层的SPI功能函数时考虑接口模式、数据宽度、时钟极性与相位、时钟速率、数据bit位大小端选择、管脚定义。

设计BSP层时,首先想到的是接口初始化和数据收发。设计初始化,把SPI可配置项放在函数接口,作参数传递;设计数据收发,传数据的同时也把SPI端口号作为参数之一,因为我们都知道MCU可能会有多个SPI接口,将SPI端口号作为参数也是比较必要。

SPI接口本身就是可以实现1对N的串行总线,为什么在使用过程中有时要分别使用不同的SPI端口来接不同的外围器件呢?

主要原因是SPI的可配置项的不一致,有些外围器件对SPI时钟信号SCLK的极性要求为高、低不一样,时钟相位不一样,并且通信数据bit位大小端选择的不一样,这些接口配置项的差异,导致了有些场景下操作不同器件时需要使用不同的SPI端口。

SPI时序使用IO引脚模拟

从零开始设计自有的一套SPI板级支持包(BSP)接口,那就从初始化开始。这里设计的是模拟SPI,所以会调用GPIO设置的接口。

当前使用的芯片平台是STM32F103系列,虽然此时已经完全可以调用官方的StdPeriphDrivers V3.5.0版本的标准外设库。调用接口库不是目的,成为“调库侠”其实很简单。此处重新写的模拟实现方式,旨在说明在BSP层,实现自有系统的软件架构,为系统集成提供底层接口。同时也是在深入学习和了解SPI接口的时序特性。

初始化函数接口里暂时做了SPI端口号、数据宽度、接口时钟模式、数据位优先模式这四个参数,基本上这四个参数已经可以完成对大部分应用需求。在编码初期先不急于填入过多的配置项,首先按照最简单的默认方式编码,保证程序逻辑可以跑通。

其中用到的管脚定义,是在完成原理图或者完成原型机验证时,基本就确定了管脚的使用,因此管脚的定义一般的都是放在BSP层的头文件中。这样更便于移植和开发。

数据发送时,先写发送一个字节的数据,数据是“踩”着SPI接口时钟信号SCLK的“节拍”逐个bit位发送出去,因此在发送数据的时候也是需要主机操作时钟信号SCLK和数据信号MOSI:

SPI的数据发送接口dcbsp_spi_sendbyte函数实现了将1个字节的数据通过GPIO输出,实现了SPI接口的时序,其中关键的是SCLK信号输出、1字节数据的移位输出、SCLK信号做延时输出脉冲。

而发送多数据的接口就可以采用dcbsp_spi_sendbyte函数来逐字节发送完成。

另外接收数据的接口,同样参考着字节发送接口的思路,数据的接收过程也是“踩”着SPI接口时钟信号SCLK的“节拍”逐个bit位传输,这个过程主机继续提供SCLK,然后读取MISO信号的电平,再将读到的电平逐bit缓存在一个变量里:

就这样,利用GPIO进行电平的输出的读取,实现了SPI接口的部分时序。这些接口的内部实现过程,因人而异、因平台变化而微调,但是对外接口不动,对上层应用来说,这就是同一个接口同一个东西,上层的应用层程序改动就很小了。

对于每次移植,BSP层提供了一定架构接口,层次清晰改动小,所以对于一个嵌入式开发者而言,写好BSP层也很重要。

总结,本文主要想分享的是设计嵌入式软件时,分出BSP层,作为应用和驱动的中间层,以便于在项目移植过程中,应用的完美匹配。文中的代码未完,关于驱动类的代码,其执行结果必须在示波器等仪器下观测,仍需确认执行的效率和时序的实现效果!

关于模拟SPI的BSP层完善的设计,敬请期待后文更新!

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