ESP8266開發之旅 基礎篇⑤ ESP8266 SPI通訊和I2C通訊

    設備與設備之間的通訊每每都伴隨着總線的使用，而用得比較多的就當屬於SPI總線和I2C總線，而恰巧NodeMcu也支持這兩種總線通訊，因此本章的主要內容就是講解ESP8266 SPI和I2C總線的使用。

1. SPI總線——SPI類庫的使用

    SPI是串行外設接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫。是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術，是一種高速的、全雙工、同步的通訊總線。經過它能夠鏈接使用一樣接口的外部設備。例如，ESP8266模組上，ESP8266EX芯片就是經過SPI接口與外接flash芯片鏈接的。
    SPI做爲一種總線通訊方式，能夠經過SPI接口鏈接多個從設備，並經過片選控制來選擇對某一設備進行鏈接使用。以下圖所示：

1.1 SPI總線概述

    SPI的通訊原理很簡單，它是全雙工主從通訊方式，這種模式下一般有一個主設備和一個或者多個從設備（注意，同一時刻，只有一個主設備和一個從設備進行通訊），須要至少4根線，特殊狀況下（單向傳輸時）3根線也能夠。
    SPI的器件工做在SPI規定下的兩種基本模式，即SPI主模式和SPI從模式。在一個SPI設備中，一般有以下表的幾個引腳：

引腳名稱	引腳說明
MISO（Master In Slave Out）	主設備數據輸入，從設備數據輸出
MOSI（Master Out Slave In）	主設備數據輸出，從設備數據輸入
SCK（Serial Clock）	用於通訊同步的時鐘信號，該時鐘信號由主機產生
SS（Slave Select）或CS（Chip Select）	從設備片選使能信號，由主設備控制

    主設備負責啓動通訊，負責輸出時鐘信號以及選擇通訊的從設備。當有多個從設備的時候，由於每一個從設備上都有一個CS引腳接入到主設備中，當咱們主設備和某個從設備通訊時將須要將從設備的CS引腳電平設置爲低電平或者高電平（根據實際狀況而定）。數據的收發經過MISO和MOSI進行。

1.2 NodeMcu SPI

    在上一章中，筆者提供的NodeMcu引腳映射圖，其實已經標註了SPI，讀者能夠查閱第2章。
    NodeMcu的SPI（注意與HSPI區分）引腳（SD0-SD三、CLK、CMD）專門用於與ESP-12E的外接flash芯片進行Quad-SPI通訊，所以不能用於SPI應用。基於ESP8266的NodeMcu具備HSPI，具備4個可用於SPI通訊的引腳（GPIO12-GPIO15）。經過這個SPI接口，咱們能夠將任何支持SPI的設備與NodeMcu鏈接起來，並與其進行通訊。下圖顯示NodeMcu的SPI部分：

知識擴展——標準SPI、Dual SPI和Quad-SPI

    1.標準SPI
    標準SPI一般就叫作SPI，它是一種串行外設接口規範，有4根引腳信號：clk、cs、mosi、miso；
    2.Dual SPI
    它只是針對SPI Flash而言，不是針對全部SPI外設。對於SPI Flash，全雙工並不經常使用，所以擴展了mosi和miso的用法，讓它們工做在半雙工，用以加倍數據傳輸。也就是對於Dual SPI Flash，能夠發送一個命令字節進入dual mode，這樣mosi變成SIO0（serial io 0），mosi變成SIO1（serial io 1）,這樣一個時鐘週期內就能傳輸2個bit數據，加倍了數據傳輸；
    3.Quad SPI
    與Dual SPI相似，也是針對SPI Flash，Quad SPI Flash增長了兩根I/O線（SIO2,SIO3），目的是一個時鐘內傳輸4個bit。因此能夠理解爲：在傳輸速度上，Quad SPI=2Dual SPI=4SPI。
因此對於SPI Flash，有標準spi flash，dual spi , quad spi 三種類型，分別對應3-wire, 4-wire, 6-wire，在相同clock下，線數越多，傳輸速率越高。
    舒適提示
    讀者能夠自行了解一下NodeMcu的flash是什麼標準。說不定燒錄代碼失敗就是由於這個緣由（Flash模式是QIO或者DIO）。

1.3 ESP8266 SPI類庫成員函數

    Arduino Core For ESP8266的SPI類庫定義在SPI.h頭文件中。該類庫只提供了做爲SPI主設備的API，其成員函數以下：
    1.begin()
    該功能用於初始化SPI通訊。
    語法：SPI.begin()
    參數：無；
    返回值： 無；
    2.end()
    該功能用於關閉SPI通訊。
    語法：SPI.end()
    參數：無；
    返回值： 無；
    3.setBitOrder()
    設置數據傳輸順序。
    語法：SPI.setBitOrder(order)
    參數：
        order，傳輸順序，取值爲：
        ~ LSBFIRST，低位在前；
        ~ MSBFIRST，高位在前。
    返回值： 無；
    4.setClockDivider()
    設置通訊時鐘。時鐘信號由主機產生，從機不用配置。但主機的SPI時鐘頻率應該在從機容許的處理速度範圍內。
    語法：SPI.setClockDivider(divider)
    參數：
        divider，SPI通訊的時鐘是由系統時鐘分頻獲得的。可以使用的分頻配置爲：
        ~ SPI_CLOCK_DIV2，2分頻；
        ~ SPI_CLOCK_DIV4，4分頻（默認配置）；
        ~ SPI_CLOCK_DIV8，8分頻；
        ~ SPI_CLOCK_DIV16，16分頻；
        ~ SPI_CLOCK_DIV32，32分頻；
        ~ SPI_CLOC K_DIV64，64分頻；
        ~ SPI_CLOCK_DIV128，128分頻；
    返回值： 無；
    5.setDataMode()
    該功能用於設置數據模式。
    語法：SPI.setDataMode(mode)
    參數：
        mode，可配置的模式，包括：
        ~ SPI_MODE0；
        ~ SPI_MODE1；
        ~ SPI_MODE2；
        ~ SPI_MODE3；
    返回值： 無；
    注意點：
    SPI四種模式中，SPI的相位（CPHA）和極性（CPOL）分別能夠爲0或者1，對應的4種組合構成了4種模式：
    ~ SPI_MODE0：CPOL=0，CPHA=0；
    ~ SPI_MODE1：CPOL=0，CPHA=1；
    ~ SPI_MODE2：CPOL=1，CPHA=0；
    ~ SPI_MODE3：CPOL=1，CPHA=1；
    時鐘極性CPOL：即SPI空閒時，時鐘信號SCLK的電平（1是空閒時高電平，0是空閒時低電平）。
    時鐘相位CPHA：即SPI在SCLK第幾個邊沿開始採樣（0是第一個邊沿開始，1是第二個邊沿開始）。
    6.transfer()
    該功能用於傳輸1B的數據，參數爲發送的數據，返回值爲接收到的數據。SPI是全雙工通訊，所以每發送1B的數據，也會接收到1B的數據。
    語法：SPI.transfer(val)
    參數：
        val，要發送的字節數據。
    返回值： 從機返回的1B數據；
    7.transfer16()
    該功能用於傳輸2B的數據，參數爲發送的數據，返回值爲接收到的數據。
    語法：SPI.transfer16(val)
    參數：
        val，要發送的16位（uint16_t）數據。
    返回值： 從機返回的2B數據；
    注意點： 發送的uint16_t數據，其實底層也是分開兩個字節分別發送兩次，接收到的2B數據，也會從新組裝成uint16_t數據；
    8.transferBuf()
    該功能用於傳輸一個緩衝區數據，參數爲發送的緩衝區buf。
    語法：SPI.transfer(buf,count)
    參數：
        buf，要發送的緩衝區（uint8_t*）數據。
        count，緩衝區的大小。
    返回值： 無；
    注意點： 雖然沒有返回值，可是從從機傳輸回來的數據會替換掉buf緩衝區的數據，因此調用完整個方法以後，buf裏面的數據就是從機返回的數據；
    9.pins()
    該功能用於切換SPI引腳映射，須要在SPI.begin()以前調用SPI.pins(6,7,8,0)。
    語法：SPI.pins(sck, miso, mosi, ss)
    參數：
        sck，時鐘引腳，固定爲6；
        miso，主設備輸入，從設備輸出引腳，固定爲7；
        mosi，主設備輸出，從設備輸入，固定爲8；
        ss，使能信號引腳，固定爲0。
    返回值： 無；
    注意點： 一般狀況下，ESP8266的SPI對應引腳爲MOSI-GPIO13，MISO-GPIO12，SCLK-GPIO14，SS-GPIO15。若是在調用SPI.begin()以前調用SPI.pins(6,7,8,0)，那麼引腳映射就會變成MOSI-SD1，MISO-SD0，SCLK-CLK，HWCS-GPIO0。能夠看出它們和ESP8266模塊的外接Flash共享了SPI引腳。這個時候SPI的SS控制位就不是由咱們的代碼來控制，而是由系統硬件自己來調配，由於它必須確保外接Flash的優先級是最高的。在此，筆者不建議這麼用。

1.4 SPI寄存器

    全部的SPI設置都由Arduino SPI控制寄存器（SPCR）來決定。這個寄存器就是微控制器內存的一個字節，它是可讀寫的。寄存器提供的服務一般有3類：控制、數據和狀態。
    控制寄存器（SPCR）
    編碼設置控制多種微控制器的功能。一般控制寄存器中的一個位影響某個特定的設置（學過單片機系統的讀者應該比較瞭解這個，好比中斷容許控制寄存器IE、中斷優先級控制寄存器IP、定時器/計數器控制寄存器TCON等）。
    數據寄存器（SPDR）
    存儲數據的寄存器，好比串行口鎖存器SBUF，僅僅hold住了一個字節。好比，SPI數據寄存器hold住了要發往MOSI線的一個字節，或者這個數據是要從MISO線傳入的。
    狀態寄存器（SPSR）
    根據多種微控制器的條件改變其狀態。好比，SPI狀態寄存器（SPSR）的第七位被設置爲1表示有數據從SPI傳入或傳出。
    在這裏，咱們主要講解一下SPI控制寄存器（SPCR），一共有8位，每個都控制了一種特定的SPI設置。

位數	名字	描述
7	SPIE	置爲1時，表示enable SPI的中斷。
6	SPE	置爲1時，表示enable SPI。
5	DORD	發送數據時，設置爲1表示最低有效位，0表示最高有效位。
4	MSTR	設置爲1表示Arduino爲master模式，0爲slave模式。
3	CPOL	即SPI空閒時，時鐘信號SCLK的電平（1是空閒時高電平，0是空閒時低電平）。
2	CPHA	即SPI在SCLK第幾個邊沿開始採樣（0是第一個邊沿開始，1是第二個邊沿開始）。
1	SPR1	設置SPI的速度，和SPR0組合
0	SPR0	設置SPI的速度，和SPR1組合，00是最快的（4MHz），11是最慢的（250KHz）。