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ESP32 SPI接口的强大应用

总体介绍

1. ESP32 共有 4 个 SPI 控制器 SPI0、SPI1、SPI2、SPI3，用于连接支持 SPI 协议的设备。
  • SPI0 控制器作为 cache 访问外部存储单元接口使用;
  • SPI1 作为主机使用;
  • SPI2 和 SPI3 控制器既可作为主机使用又可作为从机使用。作主机使用时，每个 SPI 控制器可以使用多个片选信号 (CS0 ~ CS2) 来连接多个 SPI 从机设备。
  • SPI1 ~ SPI3 控制器共享两个 DMA 通道。
    • 2. 作为通用 SPI 支持以下特性：
  • 4 种模式的 SPI 传输格式，模式取决于 SPI 时钟的极性 (CPOL) 和相位 (CPHA)；
  • 最高支持到 80 MHz（实际可支持频率还受限于所用 pad、PCB 走线、外接器件规格等）；
  • 最高支持 64 byte 的 FIFO ；
  • 所有 SPI 接口都可以连接外部 flash/SRAM 和 LCD。每一个 SPI 控制器都可连接到 DMA 通道。
    • 3. 编程指南说明：
  • SPI Features – SPI Master – SPI Bus Lock
  • SD SPI Host Driver
  • SPI Master Driver
  • SPI Slave Driver

    • 应用分类

    1 SPI Flash/PSRAM

    1.1 内置 SPI Flash/PSRAM

  • SPI0：被 Flash 占用，内置 Flash 端口与芯片管脚对应关系如下，一般是 GPIO6 ~ GPIO11 ，且这几个管脚不可用于其他功能。但不同型号的模组默认的 Flash 接口可能不同，可使用 esptool 工具通过 espefuse.py summary 命令来查询默认的配置。
    • SPI_PAD_CONFIG_CLK (BLOCK0): Override SD_CLK pad (GPIO6/SPICLK)  = 0 R/W (0b00000)
SPI_PAD_CONFIG_Q (BLOCK0): Override SD_DATA_0 pad (GPIO7/SPIQ)  = 0 R/W (0b00000)
SPI_PAD_CONFIG_D (BLOCK0): Override SD_DATA_1 pad (GPIO8/SPID)  = 0 R/W (0b00000)
SPI_PAD_CONFIG_HD (BLOCK0): Override SD_DATA_2 pad (GPIO9/SPIHD)  = 0 R/W (0b00000)
SPI_PAD_CONFIG_CS0 (BLOCK0): Override SD_CMD pad (GPIO11/SPICS0)  = 0 R/W (0b00000)

  • ESP32 系列的模组，目前默认最大支持 16MB 的 Flash 。

  • ESP32 系列的模组，除 ESP32-WROVER 模组为 1.8V Flash 以外，其他型号的模组均为 3.3V Flash。

  • 带有内置 Flash 的芯片型号需要注意上电时的 MTDI（GPIO12） 电平。例如 ESP32-U4WDH 的内置 Flash 的工作电压是 3.3V，上电时需要将 MTDI（GPIO12） 拉低。请参见《ESP32 技术规格书》关于”Strapping 管脚“ 的说明。

  • 目前 ESP 适配过的 Flash 型号可参见 “Flash 特性支持情况”

  • SPI1：FLASH 和 PSRAM 共用一组 SPI，通过不同的 CS 线实现控制。GPIO16 ~ GPIO17 一般是用于 Flash 和 PSRAM 的共用接口，且这 2 个管脚不可用于其他功能。PSRAM 的接口除了 CS（任意 GPIO）不能与 Flash 共用外，CLK 接口（建议参考模组使用的时钟脚），其他都可以与 Flash 的接口共用；目前最大支持使用外接 8MB PSRAM。

  • 当使用 VDD_SDIO 的 1.8 V 模式给 Flash/PSRAM 等外设供电时，需要在 VDD_SDIO 上接个对地 2 kΩ 的
    电阻，参考《ESP32-WROVER 技术规格书》 中原理图。

  • SPI Flash/PSRAM 硬件原理图可参见《ESP32 硬件设计指南》

  • SPI Flash 编程指南参见 "SPI Flash API"

  • "SPI Flash 加密" 和 "ESP32-Secure Boot 安全方案"

    • 【软件应用例程】

  • 对自带的 Flash 设置特定的分区，作为操作 SPIFFS 文件系统的分区。可参见例程：esp-idf/examples/storage/spiffs
  • 对自带的 Flash 设置特定的分区，构建 SPIFFS 图像生成示例：esp-idf/examples/storage/spiffsgen
  • 对自带的 Flash 设置特定的分区存储音频文件并播放存在 Flash 中的 MP3 文件示例：esp-adf/examples/player/pipeline_flash_tone
  • 对自带的 Flash 设置特定的分区构建 SPIFFS 文件系统来存储 MP3 文件，并播放存在 SPIFFS 文件系统中的 MP3 文件示例：esp-adf/examples/player/pipeline_spiffs_mp3

    • 【Flash & PSRAM 常见应用问题】

  • Flash 常见应用问题
  • PSRAM 常见应用问题

    • 1.2 外接 SPI Flash 存储外部数据

  • 可使用通用 SPI ，支持任意 GPIO 管脚进行映射。使用任意 GPIO 进行映射时，需要注意对时序产生的影响，可参考 “Timing Considerations” 说明。
  • 目前只支持外接 SPI NOR Flash 芯片，以 W25Q32 型号的 SPI NOR Flash 芯片为例，可参见例程 esp-idf/examples/storage/ext_flash_fatfs

    • 1.3 外接 SPI PSRAM 存储外部数据

  • 硬件上支持使用 SPI2 或 SPI3 接口外接 PSRAM 芯片，但是 SPI2 和 SPI3 不支持 Cache ，且目前软件上无 SPI2、SPI3 的 PSRAM 的驱动，所以目前使用 SPI2\SPI3 外接 PSRAM 是可不用的。

    • 2 SD SPI（可使用 SPI 接口或 SDIO 接口）

  • SD SPI Host Driver 说明
  • SDSPI 例程参见：esp-idf/examples/storage/sd_card/sdspi，包含硬件接线及上拉要求；支持 SD（SDSC、SDHC、SDXC）卡。

    • 3 SPI 外接 LCD

    ESP32 目前支持 SPI 串行接口、6800、8080 并口的 LCD。

    3.1 ESP32 适配的 LCD 参数

    1. SPI 接口

  • 最大分辨率：480*320
  • 最大帧率：80MHz 的频率大概是 12 帧

    • 2. 8080/6800 接口协议

  • 最大分辨率：854*480

    • 3.2 SPI LCD 硬件设计参考

  • 官方提供了 ESP32-LCDKit 开发板，开发板预留屏幕接口类型：SPI 串行接口、8 位和16 位并行接口，可用于测试。对应原理图请参见 “esp-dev-kits/docs/zh_CN/esp32/esp32-lcdkit/hw/schematics/SCH_ESP32-LCDKit_V1.1_20190218.pdf”
  • ESP-WROVER-KIT 开发板贴装一款 3.2 寸的 SPI（标准四线串行外设接口）LCD 显示器，分辨率为 320*240。请见 ESP-WROVER-KIT V4.1 原理图。

    • 3.3 SPI LCD 软件应用

  • ESP32 的 SPI LCD 的 HMI 示例程序参考 esp-iot-solution/tree/master/examples/hmi
  • 适配的 LCD 的驱动库可参见 esp-iot-solution/components/display/screen/controller_driver； 默认使用的是 ILI9341 LCD 。
  • ESP32 的 8080 并口的例程可参见 esp-iot-solution/examples/screen 例程。对于 8080 协议的 LCD 接口，我们使用的是 I2S 接口软件方式实现，但此方式只支持 “写”，不支持 “读”。
  • ESP32 SPI 驱动墨水屏的例程可参考 esp-idf/examples/peripherals/spi_master/lcd 例程

    • 3.4 SPI LCD 方案介绍

  • “乐鑫 ESP-LCD 多媒体智能控制方案” 视频介绍
  • 乐鑫 ESP-LCD 多媒体智能控制方案优势

    • 4 SPI 通信

    4.1 SPI Master

  • ESP32 SPI1 ~ SPI3 可以作为 SPI 主机与其他从机通信。ESP32 SPI 作主机使用时，每个 SPI 控制器可以使用多个片选信号 (CS0 ~ CS2) 来连接多个 SPI 从机设备。每个 ESP32 SPI 主机默认最多可以接 3 个从机。在非 DMA 模式下，一次最多可以接收/发送 64 byte 的数据，收发数据长度以字节为单位。
  • 详细说明建议阅读《ESP32 技术参考手册》 的 “7 SPI 控制器” 章节和 “SPI Master Driver” 编程指南。
  • 参考例程：esp-idf/examples/peripherals/spi_master

    • 4.2 SPI Slave

  • SPI2 和 SPI3 可以作为从机。SPI2，有时也称为 HSPI ；SPI3，有时也称为 VSPI 。
  • 详细说明建议阅读《ESP32 技术参考手册》 的 “7 SPI 控制器” 章节和 “SPI Slave Driver” 编程指南。
  • 参考例程：esp-idf/examples/peripherals/spi_slave

    • 4.3 SPI 传输 AT 指令

  • ESP32-C3 、ESP32 都支持 SPI 传输 AT 指令，但由于 ESP32 的硬件条件的限制，我们更推荐使用 ESP32 的 SDIO SPI 方式传输 AT 指令，吞吐率参见 “Readme” 说明。

    • 硬件条件的限制是指：

  • SPI Slave 支持的 SPI Clock 为10MHz, 最理想的情况下大约 1MB/s ， 但是实际要损失很多。
  • SPI Slave 需要在挂载好 Buffer 之后才允许 Master 收发数据。
  • 请参见 ”SCLK Frequency Requirements“ 说明。
  • ESP32 SPI 传输 AT 参见：esp-at/examples/at_spi_master/spi
  • 同时请阅读 SPI AT Guide

    • 5 ESP-Hosted 无线网卡方案

  • ESP-Hosted 无线网卡 (Wireless network interface controller, WNIC) 方案，可参见 “乐鑫 ESP-WNIC 无线网卡方案” 介绍。
  • ESP32 SPI 接口支持如下特性：

    • SPI 使用注意事项

  • ESP32 的 SPI 在专用 IO_MUX SPI 引脚上的速度可达 80 MHz ,在 GPIO matrix 引脚上的速度可达 40 MHz ,但在 GPIO matrix 上的全双工传输只支持高达 26 MHz 的速度。请阅读 “SPI Master Driver” 编程指南。

    • SPI 常见应用问题

    可查阅 ”ESP-FAQ 外设“ 章节。

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