STM32 LibOpenCM3：SPI (Slave mode)

前言

上次已經介紹了 SPI 作為 Master device 的程式，這次要接著介紹作為 Slave device 的程式寫法，讓 Master 與 Slave 可以互相溝通。

正文

首先一樣以 Nucleo-F446RE 做示範。

首先建立一個 PIO 的專案，選擇 Framework 為「libopencm3」，並在 src/ 資料夾中新增並開啓 main.c 與 main.h 檔案。

完整程式

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
/**
 * @file   main.c
 * @brief  SPI slave mode example for STM32 Nucleo-F446RE.
 */

#include "main.h"

int main(void)
{
  rcc_setup();
  usart_setup();
  spi_setup();
  spi_rq_setup();

  usart_send_blocking(USART2, 's');
  usart_send_blocking(USART2, 'l');
  usart_send_blocking(USART2, 'a');
  usart_send_blocking(USART2, 'v');
  usart_send_blocking(USART2, 'e');
  usart_send_blocking(USART2, '\r');
  usart_send_blocking(USART2, '\n');

  while (1)
  { }
  return 0;
}

static void rcc_setup(void)
{
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);

  rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOA);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOC);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART2);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_SPI1);
}

static void usart_setup(void)
{
  /* Set USART-Tx & Rx pin to alternate function. */
  gpio_mode_setup(GPIO_USART_TXRX_PORT,
                  GPIO_MODE_AF,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_USART_TX_PIN | GPIO_USART_RX_PIN);

  gpio_set_af(GPIO_USART_TXRX_PORT,
              GPIO_USART_AF,
              GPIO_USART_TX_PIN | GPIO_USART_RX_PIN);

  /* Setup interrupt. */
  nvic_enable_irq(NVIC_USART2_IRQ);
  usart_enable_rx_interrupt(USART2); /* Enable receive interrupt. */

  /* Setup USART config. */
  usart_set_baudrate(USART2, USART_BAUDRATE);
  usart_set_databits(USART2, 8);
  usart_set_stopbits(USART2, USART_STOPBITS_1);
  usart_set_parity(USART2, USART_PARITY_NONE);
  usart_set_flow_control(USART2, USART_FLOWCONTROL_NONE);
  usart_set_mode(USART2, USART_MODE_TX_RX);

  usart_enable(USART2);
}

static void spi_setup(void)
{
  /* Set SPI pins to alternate function. */
  gpio_mode_setup(GPIO_SPI_PORT,
                  GPIO_MODE_AF,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_SPI_SCK_PIN | GPIO_SPI_MISO_PIN | GPIO_SPI_MOSI_PIN | GPIO_SPI_CS_PIN);

  gpio_set_output_options(GPIO_SPI_PORT,
                          GPIO_OTYPE_PP,
                          GPIO_OSPEED_50MHZ,
                          GPIO_SPI_MISO_PIN);

  gpio_set_af(GPIO_SPI_PORT,
              GPIO_SPI_AF,
              GPIO_SPI_SCK_PIN | GPIO_SPI_MISO_PIN | GPIO_SPI_MOSI_PIN | GPIO_SPI_CS_PIN);

  spi_disable(SPI1);
  spi_reset(SPI1);

  /* SPI init. */
  spi_init_master(SPI1,
                  SPI_CR1_BAUDRATE_FPCLK_DIV_64,   /* Clock baudrate. */
                  SPI_CR1_CPOL_CLK_TO_0_WHEN_IDLE, /* CPOL = 0. */
                  SPI_CR1_CPHA_CLK_TRANSITION_2,   /* CPHA = 1. */
                  SPI_CR1_DFF_8BIT,                /* Data frame format. */
                  SPI_CR1_MSBFIRST);               /* Data frame bit order. */
  spi_set_slave_mode(SPI1);                        /* Set to slave mode. */
  spi_set_full_duplex_mode(SPI1);

  /*
   * Set to hardware NSS management and NSS output disable.
   * The NSS pin works as a standard “chip select” input in slave mode.
   */
  spi_disable_software_slave_management(SPI1); /* SSM = 0. */
  spi_disable_ss_output(SPI1);                 /* SSOE = 0. */

  /* Serup interrupt. */
  spi_enable_rx_buffer_not_empty_interrupt(SPI1);
  nvic_enable_irq(NVIC_SPI1_IRQ);

  spi_enable(SPI1);
}

static void spi_rq_setup(void)
{
  /* Set RQ pin to output push-pull. */
  gpio_mode_setup(GPIO_SPI_RQ_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_SPI_RQ_PIN);
  gpio_set_output_options(GPIO_SPI_RQ_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_25MHZ, GPIO_SPI_RQ_PIN);

  spi_rq_reset();
}

static void spi_rq_set(void)
{
  gpio_clear(GPIO_SPI_RQ_PORT, GPIO_SPI_RQ_PIN);
}

static void spi_rq_reset(void)
{
  gpio_set(GPIO_SPI_RQ_PORT, GPIO_SPI_RQ_PIN);
}

/**
 * @brief USART2 Interrupt service routine.
 */
void usart2_isr(void)
{
  uint8_t indata = usart_recv(USART2); /* Read received data. */
  spi_send(SPI1, indata);              /* Put data into buffer. */
  spi_rq_set();                        /* Request master device to select this device. */

  /* Clear 'Read data register not empty' flag. */
  USART_SR(USART2) &= ~USART_SR_RXNE;
}

/**
 * @brief SPI1 Interrupt service routine.
 */
void spi1_isr(void)
{
  /* Wait for 'Busy' flag to reset. */
  while ((SPI_SR(SPI1) & SPI_SR_BSY))
  {
  }

  uint8_t indata = spi_read(SPI1);
  spi_rq_reset();
  usart_send_blocking(USART2, indata);

  /* Clear 'Read data register not empty' flag. */
  SPI_SR(SPI1) &= ~SPI_SR_RXNE;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
/* @file main.h */

#ifndef MAIN_H
#define MAIN_H

#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/spi.h>
#include <libopencm3/stm32/usart.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

#define USART_BAUDRATE (9600)

#define GPIO_SPI_PORT (GPIOA)
#define GPIO_SPI_SCK_PIN (GPIO5)  /* D13. */
#define GPIO_SPI_MISO_PIN (GPIO6) /* D12. */
#define GPIO_SPI_MOSI_PIN (GPIO7) /* D11. */
#define GPIO_SPI_CS_PIN (GPIO4)   /* A2. */
#define GPIO_SPI_AF (GPIO_AF5)    /* Ref: Table-11 in DS10693. */

#define GPIO_SPI_RQ_PORT (GPIOC)
#define GPIO_SPI_RQ_PIN (GPIO7) /* D9. */

#define GPIO_USART_TXRX_PORT (GPIOA)
#define GPIO_USART_TX_PIN (GPIO2) /* ST-Link (D1). */
#define GPIO_USART_RX_PIN (GPIO3) /* ST-Link (D0). */
#define GPIO_USART_AF (GPIO_AF7)  /* Ref: Table-11 in DS10693. */

static void rcc_setup(void);
static void usart_setup(void);
static void spi_setup(void);
static void spi_rq_setup(void);

static void spi_rq_set(void);
static void spi_rq_reset(void);

#endif /* MAIN_H. */

分段說明

設定 SPI

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
static void spi_setup(void)
{
  /* Set SPI pins to alternate function. */
  gpio_mode_setup(GPIO_SPI_PORT,
                  GPIO_MODE_AF,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_SPI_SCK_PIN | GPIO_SPI_MISO_PIN | GPIO_SPI_MOSI_PIN | GPIO_SPI_CS_PIN);

  gpio_set_output_options(GPIO_SPI_PORT,
                          GPIO_OTYPE_PP,
                          GPIO_OSPEED_50MHZ,
                          GPIO_SPI_MISO_PIN);

  gpio_set_af(GPIO_SPI_PORT,
              GPIO_SPI_AF,
              GPIO_SPI_SCK_PIN | GPIO_SPI_MISO_PIN | GPIO_SPI_MOSI_PIN | GPIO_SPI_CS_PIN);

  spi_disable(SPI1);
  spi_reset(SPI1);

  /* SPI init. */
  spi_init_master(SPI1,
                  SPI_CR1_BAUDRATE_FPCLK_DIV_64,   /* Clock baudrate. */
                  SPI_CR1_CPOL_CLK_TO_0_WHEN_IDLE, /* CPOL = 0. */
                  SPI_CR1_CPHA_CLK_TRANSITION_2,   /* CPHA = 1. */
                  SPI_CR1_DFF_8BIT,                /* Data frame format. */
                  SPI_CR1_MSBFIRST);               /* Data frame bit order. */
  spi_set_slave_mode(SPI1);                        /* Set to slave mode. */
  spi_set_full_duplex_mode(SPI1);

  /*
   * Set to hardware NSS management and NSS output disable.
   * The NSS pin works as a standard “chip select” input in slave mode.
   */
  spi_disable_software_slave_management(SPI1); /* SSM = 0. */
  spi_disable_ss_output(SPI1);                 /* SSOE = 0. */

  /* Serup interrupt. */
  spi_enable_rx_buffer_not_empty_interrupt(SPI1);
  nvic_enable_irq(NVIC_SPI1_IRQ);

  spi_enable(SPI1);
}

這部分與設定 Master 時的類似。不過要注意的是，Master device 的 CS（NSS）腳不受 AF 控制，但 Slave device 的會，所以 CS 腳也要設為 AF。

SPI 本身的設定如 CPOL 與 CPHA 要與 Master 一致才可以正常通訊，這裡設為 CPOL=0 CPHA=1。

然後先使用 spi_init_master() 初始化 SPI 的相關設定，再以 spi_set_slave_mode() 設定成 Slave mode。

一樣以 spi_set_full_duplex_mode() 設為全雙工模式。

再來，為了要使用硬體 CS，所以要將 SSM 和 SSOE 都設為 0。這裡呼叫 spi_disable_software_slave_management() 與 spi_disable_ss_output() 來完成設定。

NSS output disable (SSM=0, SSOE = 0): In slave mode, the NSS pin works as a standard “chip select” input and the slave is selected while NSS line is at low level.
節錄自 RM0390 Rev6 P.854。

之後再啓用 SPI 的中斷功能。

SPI ISR

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
/**
 * @brief SPI1 Interrupt service routine.
 */
void spi1_isr(void)
{
  /* Wait for 'Busy' flag to reset. */
  while ((SPI_SR(SPI1) & SPI_SR_BSY))
  {
  }

  uint8_t indata = spi_read(SPI1);
  spi_rq_reset();
  usart_send_blocking(USART2, indata);

  /* Clear 'Read data register not empty' flag. */
  SPI_SR(SPI1) &= ~SPI_SR_RXNE;
}

我們設定啓用 SPI 的「接收資料非空」中斷事件，因此 ISR 就負責讀取 Master 傳送的資料，若先前有 Slave 要傳送的資料也會在 CS 腳被下拉且 Master 發起 SCK 時脈訊號後傳送。

USART ISR

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
/**
 * @brief USART2 Interrupt service routine.
 */
void usart2_isr(void)
{
  uint8_t indata = usart_recv(USART2); /* Read received data. */
  spi_send(SPI1, indata);              /* Put data into buffer. */
  spi_rq_set();                        /* Request master device to select this device. */

  /* Clear 'Read data register not empty' flag. */
  USART_SR(USART2) &= ~USART_SR_RXNE;
}

當 USART 收到資料時，會將資料先用 spi_send() 寫入到傳送暫存器中，然後以 spi_rq_set() 將 RQ 腳拉低以請求 Master 進行通訊。

多環境程式（F446RE + F103RB）

由於 STM32F1 的部分函式不同，所以 F103RB 沒辦法直接使用上面的 F446RE 的程式。

由於這次程式較長，所以完整的程式請看 GitHub repo。

成果

我使用兩塊 STM32 Nucleo 板分別當作 Master 與 Slave。將線都接好後就可以讓兩者互相溝通了，記得要共地。

小結

這次接續上次的 SPI Master，寫了 Slave 的操作介紹。其實用法基本上是差不多的，相信不會太難。

會使用 SPI 通常是要連接其它的模組，所以 STM32 通常是當作 Master 的角色，但如果想要自己用 STM32 做一個「模組」的話，就可以用到 SPI Slave 模式了。

參考資料

本文的程式也有放在 GitHub 上。
本文同步發表於 iT 邦幫忙-2022 iThome 鐵人賽。

留言可能不會立即顯示。若過了幾天仍未出現，請 Email 聯繫：）