ESP8266开发之旅 基础篇⑤ ESP8266 SPI通信和I2C通信

    设备与设备之间的通信往往都伴随着总线的使用，而用得比较多的就当属于SPI总线和I2C总线，而恰巧NodeMcu也支持这两种总线通信，所以本章的主要内容就是讲解ESP8266 SPI和I2C总线的使用。

1. SPI总线——SPI类库的使用

    SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的、全双工、同步的通信总线。通过它可以连接使用同样接口的外部设备。例如，ESP8266模组上，ESP8266EX芯片就是通过SPI接口与外接flash芯片连接的。
    SPI作为一种总线通信方式，可以通过SPI接口连接多个从设备，并通过片选控制来选择对某一设备进行连接使用。如下图所示：

1.1 SPI总线概述

    SPI的通信原理很简单，它是全双工主从通信方式，这种模式下通常有一个主设备和一个或者多个从设备（注意，同一时刻，只有一个主设备和一个从设备进行通信），需要至少4根线，特殊情况下（单向传输时）3根线也可以。
    SPI的器件工作在SPI规定下的两种基本模式，即SPI主模式和SPI从模式。在一个SPI设备中，通常有如下表的几个引脚：

引脚名称	引脚说明
MISO（Master In Slave Out）	主设备数据输入，从设备数据输出
MOSI（Master Out Slave In）	主设备数据输出，从设备数据输入
SCK（Serial Clock）	用于通信同步的时钟信号，该时钟信号由主机产生
SS（Slave Select）或CS（Chip Select）	从设备片选使能信号，由主设备控制

    主设备负责启动通信，负责输出时钟信号以及选择通信的从设备。当有多个从设备的时候，因为每个从设备上都有一个CS引脚接入到主设备中，当我们主设备和某个从设备通信时将需要将从设备的CS引脚电平设置为低电平或者高电平（根据实际情况而定）。数据的收发通过MISO和MOSI进行。

1.2 NodeMcu SPI

    在上一章中，笔者提供的NodeMcu引脚映射图，其实已经标注了SPI，读者可以查阅第2章。
    NodeMcu的SPI（注意与HSPI区分）引脚（SD0-SD3、CLK、CMD）专门用于与ESP-12E的外接flash芯片进行Quad-SPI通信，因此不能用于SPI应用。基于ESP8266的NodeMcu具有HSPI，具有4个可用于SPI通信的引脚（GPIO12-GPIO15）。通过这个SPI接口，我们可以将任何支持SPI的设备与NodeMcu连接起来，并与其进行通信。下图显示NodeMcu的SPI部分：

知识扩展——标准SPI、Dual SPI和Quad-SPI

    1.标准SPI
    标准SPI通常就叫做SPI，它是一种串行外设接口规范，有4根引脚信号：clk、cs、mosi、miso；
    2.Dual SPI
    它只是针对SPI Flash而言，不是针对所有SPI外设。对于SPI Flash，全双工并不常用，因此扩展了mosi和miso的用法，让它们工作在半双工，用以加倍数据传输。也就是对于Dual SPI Flash，可以发送一个命令字节进入dual mode，这样mosi变成SIO0（serial io 0），mosi变成SIO1（serial io 1）,这样一个时钟周期内就能传输2个bit数据，加倍了数据传输；
    3.Quad SPI
    与Dual SPI类似，也是针对SPI Flash，Quad SPI Flash增加了两根I/O线（SIO2,SIO3），目的是一个时钟内传输4个bit。所以可以理解为：在传输速度上，Quad SPI=2Dual SPI=4SPI。
所以对于SPI Flash，有标准spi flash，dual spi , quad spi 三种类型，分别对应3-wire, 4-wire, 6-wire，在相同clock下，线数越多，传输速率越高。
    温馨提示
    读者可以自行了解一下NodeMcu的flash是什么标准。说不定烧录代码失败就是因为这个原因（Flash模式是QIO或者DIO）。

1.3 ESP8266 SPI类库成员函数

    Arduino Core For ESP8266的SPI类库定义在SPI.h头文件中。该类库只提供了作为SPI主设备的API，其成员函数如下：
    1.begin()
    该功能用于初始化SPI通信。
    语法：SPI.begin()
    参数：无；
    返回值： 无；
    2.end()
    该功能用于关闭SPI通信。
    语法：SPI.end()
    参数：无；
    返回值： 无；
    3.setBitOrder()
    设置数据传输顺序。
    语法：SPI.setBitOrder(order)
    参数：
        order，传输顺序，取值为：
        ~ LSBFIRST，低位在前；
        ~ MSBFIRST，高位在前。
    返回值： 无；
    4.setClockDivider()
    设置通信时钟。时钟信号由主机产生，从机不用配置。但主机的SPI时钟频率应该在从机允许的处理速度范围内。
    语法：SPI.setClockDivider(divider)
    参数：
        divider，SPI通信的时钟是由系统时钟分频得到的。可使用的分频配置为：
        ~ SPI_CLOCK_DIV2，2分频；
        ~ SPI_CLOCK_DIV4，4分频（默认配置）；
        ~ SPI_CLOCK_DIV8，8分频；
        ~ SPI_CLOCK_DIV16，16分频；
        ~ SPI_CLOCK_DIV32，32分频；
        ~ SPI_CLOC K_DIV64，64分频；
        ~ SPI_CLOCK_DIV128，128分频；
    返回值： 无；
    5.setDataMode()
    该功能用于设置数据模式。
    语法：SPI.setDataMode(mode)
    参数：
        mode，可配置的模式，包括：
        ~ SPI_MODE0；
        ~ SPI_MODE1；
        ~ SPI_MODE2；
        ~ SPI_MODE3；
    返回值： 无；
    注意点：
    SPI四种模式中，SPI的相位（CPHA）和极性（CPOL）分别可以为0或者1，对应的4种组合构成了4种模式：
    ~ SPI_MODE0：CPOL=0，CPHA=0；
    ~ SPI_MODE1：CPOL=0，CPHA=1；
    ~ SPI_MODE2：CPOL=1，CPHA=0；
    ~ SPI_MODE3：CPOL=1，CPHA=1；
    时钟极性CPOL：即SPI空闲时，时钟信号SCLK的电平（1是空闲时高电平，0是空闲时低电平）。
    时钟相位CPHA：即SPI在SCLK第几个边沿开始采样（0是第一个边沿开始，1是第二个边沿开始）。
    6.transfer()
    该功能用于传输1B的数据，参数为发送的数据，返回值为接收到的数据。SPI是全双工通信，因此每发送1B的数据，也会接收到1B的数据。
    语法：SPI.transfer(val)
    参数：
        val，要发送的字节数据。
    返回值： 从机返回的1B数据；
    7.transfer16()
    该功能用于传输2B的数据，参数为发送的数据，返回值为接收到的数据。
    语法：SPI.transfer16(val)
    参数：
        val，要发送的16位（uint16_t）数据。
    返回值： 从机返回的2B数据；
    注意点： 发送的uint16_t数据，其实底层也是分开两个字节分别发送两次，接收到的2B数据，也会重新组装成uint16_t数据；
    8.transferBuf()
    该功能用于传输一个缓冲区数据，参数为发送的缓冲区buf。
    语法：SPI.transfer(buf,count)
    参数：
        buf，要发送的缓冲区（uint8_t*）数据。
        count，缓冲区的大小。
    返回值： 无；
    注意点： 虽然没有返回值，但是从从机传输回来的数据会替换掉buf缓冲区的数据，所以调用完整个方法之后，buf里面的数据就是从机返回的数据；
    9.pins()
    该功能用于切换SPI引脚映射，需要在SPI.begin()之前调用SPI.pins(6,7,8,0)。
    语法：SPI.pins(sck, miso, mosi, ss)
    参数：
        sck，时钟引脚，固定为6；
        miso，主设备输入，从设备输出引脚，固定为7；
        mosi，主设备输出，从设备输入，固定为8；
        ss，使能信号引脚，固定为0。
    返回值： 无；
    注意点： 通常情况下，ESP8266的SPI对应引脚为MOSI-GPIO13，MISO-GPIO12，SCLK-GPIO14，SS-GPIO15。如果在调用SPI.begin()之前调用SPI.pins(6,7,8,0)，那么引脚映射就会变成MOSI-SD1，MISO-SD0，SCLK-CLK，HWCS-GPIO0。可以看出它们和ESP8266模块的外接Flash共享了SPI引脚。这个时候SPI的SS控制位就不是由我们的代码来控制，而是由系统硬件本身来调配，因为它必须确保外接Flash的优先级是最高的。在此，笔者不建议这么用。

1.4 SPI寄存器

    所有的SPI设置都由Arduino SPI控制寄存器（SPCR）来决定。这个寄存器就是微控制器内存的一个字节，它是可读写的。寄存器提供的服务通常有3类：控制、数据和状态。
    控制寄存器（SPCR）
    编码设置控制多种微控制器的功能。通常控制寄存器中的一个位影响某个特定的设置（学过单片机系统的读者应该比较了解这个，比如中断允许控制寄存器IE、中断优先级控制寄存器IP、定时器/计数器控制寄存器TCON等）。
    数据寄存器（SPDR）
    存储数据的寄存器，比如串行口锁存器SBUF，仅仅hold住了一个字节。比如，SPI数据寄存器hold住了要发往MOSI线的一个字节，或者这个数据是要从MISO线传入的。
    状态寄存器（SPSR）
    根据多种微控制器的条件改变其状态。比如，SPI状态寄存器（SPSR）的第七位被设置为1表示有数据从SPI传入或传出。
    在这里，我们主要讲解一下SPI控制寄存器（SPCR），一共有8位，每一个都控制了一种特定的SPI设置。

位数	名字	描述
7	SPIE	置为1时，表示enable SPI的中断。
6	SPE	置为1时，表示enable SPI。
5	DORD	发送数据时，设置为1表示最低有效位，0表示最高有效位。
4	MSTR	设置为1表示Arduino为master模式，0为slave模式。
3	CPOL	即SPI空闲时，时钟信号SCLK的电平（1是空闲时高电平，0是空闲时低电平）。
2	CPHA	即SPI在SCLK第几个边沿开始采样（0是第一个边沿开始，1是第二个边沿开始）。
1	SPR1	设置SPI的速度，和SPR0组合
0	SPR0	设置SPI的速度，和SPR1组合，00是最快的（4MHz），11是最慢的（250KHz）。