第 29 卷 第 5 期 No. 5 Vol. 29 计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 2008 年 3 月 Mar. 2008 基于 MSP430 的模拟 SPI 串口通信的实现 (1. 华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079; 2. 华中师范大学 计算机科学系，湖北 武汉 430079) 张经爱 1， 许凯华 1， 刘玉华 2 摘 要：SPI 接口是 一种同步串行通 讯接口。为了 扩展系统接口，有时 必须要模拟出 SPI 的串口。 提出了基于 TI 的 MSP430 系列 单片机利用 I/O 软件模拟出 了 SPI 串口 的方法，提 高了 SPI 的接 口效率，简 化了其使用方法 ，并且给出 连接 SPI 接 口的 SST25VF020 NOR 型 FLASH 的实 例。 关键 词：通信; SPI 接口; 模拟; 时序; 中图 法分类号：TP368.2 文章编号：1000-7024 (2008) 05-1169-03 I/O 函 数 文 献标识码：A Realization of SPI interface simulated by MSP430 ZHANG Jing-ai1, XU Kai-hua1, LIU Yu-hua2 (1. College of Physical Science and Technology, Huazhong Normal University, Wuhan 430079, China; 2. Department of Computer Science, Huazhong Normal University, Wuhan 430079, China) Abstract：SPI interface is a synchronously serial communication interface. It's necessary to simulate SPI interface in order to extend In- terface. A realization of simulated is introduced by TI's MSP430. The method can increase the speed of the communication with SPI, and make the usage of SPI more convenient. The example of connecting SST25VF020 is provided with SPI interface based on MSP430F149 single chip microcomputer. Key words：communication; SPI interface; simulation; sequence; I/O Function; MSP430 0 引 言 MSP430 单片机具有丰富的外围模块，如 MSP430F149 就 包含：7 组 I/O 端口，精密模拟比较器，硬件乘法器，2 组频率可 达 8MHZ 的时钟模块，2 个可以实现异步、同步及多址访问的 USART。在实际的应用中，USART 接口具有极大的通用性， 出于扩展接口的目的，往往通过软件模拟 SPI，以获得更多的 SPI 接口。串行外设接口 (serial peripheral interface，SPI) 是一 种同步串行通讯接口，用于微处理器，微控制器和外围扩展芯 片之间的串行连接，现已发展成为一种工业标准，有着极为广 泛的应用。笔者根据在实际工程中的应用，以 MSP430F149 为 例介绍模拟串口通信的方法。 1 MSP430 的 I/O 端口 MSP430 各个端口有大量的控制寄存器供用户使用，其中 P1 和 P2 具有 7 个寄存器，P3,P4,P5,P6 具有 4 个寄存器。P1,P2 具有输入/输出，中断和外部模块功能。每一个 I/O 端口有 8 位，可以独立使用。用 Px 代表端口 P1,P2,…,P6，I/O 端口的寄 存器如下所示： (1)PxDIR 输入/输出方向寄存器 (2)PxIN 输入寄存器 (3)PxOUT 输出寄存器 (4)PxSEL 功能选择寄存器 (5)PxIES 中断触发沿选择寄存器，P1,P2 专有 (6)PxIFG 中断标志位寄存器，P1,P2 专有 (7)PxIE 中断使能寄存器，P1,P2 专有 MSP430 的管脚大多是复用的以减少引脚数量，PxSEL 选 择 Px 是作为 I/O 还是作为其它的片内外设功能。I/O 口读入数 据时，PxIN 就锁存数据，访问该寄存器即可获得当前数据。I/ O 写数据时，先把数据存入 PxOUT 中，硬件自动发送数据。由 于 P1，P2 的每一位都可以产生独立的中断，有独立的中断标 志，作为 I/O 端口功能太强，往往用于其它用途，同时出于通用 性的考虑，更倾向于使用普通的I/O 口(除P1，P2 外的I/O 端口)。 2 SPI 串口通信格式 串行外围设备 SPI 总线技术是一种同步串口接口，具体 的 3~4 线接口，收发独立、可同步进行，其硬件功能很强，所以 与 SPI 相关的软件相当简单，SPI 总线上可以连接多个可作为 主机的 MCU(微控制器)、有 SPI 接口的输出输入设备，但在任 一瞬间只能允许一个设备作为主机，SPI 协议是以主从方式工 E-mail：jazzhang2@yahoo.com.cn 收稿日期：2007-03-16 基金项目：国家自然科学基金项目 (60673163)。 作者简介：张经爱 (1981－)，男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统； 许凯华 (1952－)，男，湖北武汉人，副教授，研究方向 为计算机网络与通信、GPS 导航； 刘玉华 (1951－)，女，湖北武汉人，博士，教授，研究方向为计算机网络与通信、网络优化、复杂网络。 － 1169 － 

作的，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，其接 口包括以下 4 种信号： (1)串行数据输入(也称为主进从出，或 MISO) (2)串行数据输出(也称为主出从进，或 MOSI) (3)串行移位时钟(也称为 SCK) (4)从使能信号(也称为 SS) 数据的传输由 SCK 决定，根据 SCK 时序的差别分为两 种，数据在 SCK 的上升沿输出或者在 SCK 的下降沿输出。由 于 SPI 接口定义的灵活性，同时也导致了各个厂商生产的具 有 SPI 接口的芯片在工作时序上并不是一致的，所以使用时 需要注意工作时序的差别。 3 基于 MSP430 模拟 SPI 串口的实现 本文采用 MSP430 的 I/O 端口来实现，选用 SCK 下降沿 输出、上升沿输入的 SPI 接口类型，三线接口，定义 MSP430 的 I/O 端口 P4.4 为输出 MOSI，P5.0 是输入 MISO，P4.5 为 SCk 信 号。在 P4.5SCK 制造一个下降沿，输出数据 data 的高位 BIT7， 然后把 P4.5SCK 的电平拉高，data 中的数据依次右移一位，再 将 P4.5 的电平拉低 SCK 输出低电平，又一次输出 data 的高 位，这时，输出的就是原来 data 中的次高位 BIT6 位，如此重 复，data 右移八次就完成了一个字符的输出。实现该功能的 代码如下： for(i=0;i<8;i++) { x 位为 1，其它位全为 0 //BITx 是指 8 位字节的第 P4OUT &=~BIT5; if(data & BIT7) //p4.5 输出 0，SCK 下降沿 //高位是 1 把data 中的高位发出去 P4OUT |= BIT4; //P4.4OUT 1; else P4OUT &=~BIT4; P4OUT |=BIT5; data<<=1; //P4.4 OUT 0 //SCK 上升沿 //data 中的数据右移 } 同样的原理，把P4.5SCK 的输出电平拉低，制造一个下降 沿，检测输入脚 P5.0 的电平，记入 data 中，把 P4.5SCK 的输出 电平拉高，就完成了一个字符位的接受，然后将P4.5 的输出电 平拉低，制造一个下降沿，再次检测输入脚 P5.0 的电平，记入 data 中，如此 8 次后就收到了一个字符，代码如下： for(i=0;i<8;i++){ P4OUT &=~BIT5; if(P5IN & BIT0) { //sck 下降沿 //判断收到的电平信号 data<<=1; data =data+BIT0; } else data<<=1; 串口速率主要由系统时钟来决定，1 个 SPI 的时钟周期就是执 行上述模拟串口的 C 指令所需要的时间，提高系统时钟频率 能够进一步的提高 SPI 串口的传输速率。 4 构造函数验证模拟 SPI 功能 SST25VF020 是一款 2Mbit SPI Serial NOR 型 Flash 芯片， 读写操作时电流只有 7 mA，功耗低，读写速度快，擦除内部内 容最大需要 70 ms，最大支持 20 MHz 的时钟频率，有专门的硬 件写保护来保护数据，它通过 SPI 的串口接受指令和数据，支 持 3/4 线的 SPI 协议，其工作时序如图 1 所示。 MODE 3 MODE 0 CE# SCK SI SO MODE 3 MODE 0 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 MSB HIGH IMPEDANCE DON'T CARE Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 MSB 图 1 SST25VF020 的工作时序图 从图 1 可以看出，CE ＃低电平使能芯片正常工作，该芯 片在 SCK 的上升沿 SI 是主机读入信号，在 SCK 下降沿的时候 SO 主机输出信号。SST25VF020 芯片的内部有一个出厂 ID， 位于 flash 的内部地址 0001H 处，读取这个 ID 号可以直接验证 模拟程序的有效性。该芯片的其它功能请查阅相关的技术文 档。现在选用 MSP430F149 来连接 flash 芯片，具体芯片引脚 的连接如图 2 所示。 P4.7 P5.0 P5.1 GND CE# 1 SO 2 WP# VSS 3 4 8 VDD +5v 7 6 5 HOLD# P4.6 SCK SI P4.5 P4.4 图 2 引脚连接 CE#为 Chip Enable，低电平有效，SCK 为 Serial Clock，SI 为 Serial Data Input，SO 为 Serial Data Output，WP#为 Write Protect， HOLD# Hold ，VDD 为电源正(2.7v~3.6v)，VSS 为地。首先需 要定义 MSP430 的 I/O 端口，P4.4 为 MOSI，P4.5 为 SCK，P4.7 为 CE，P5.0 为 MISO。 由于是使用 MSP430 的 I/O 模拟，并未使用到中断函数， 只需要一个子函数就能实现其功能。相比硬件实现而言，在 操作上更加简单。定义读取 ID 的子函数如下： void ReadID() { //read device's ID; int i; char command[5]={0x90,0x00,0x00,0x01}; //0x90 是 sst25vf020 的读 ID 指令，后面 3 个为 000001H P4OUT |=BIT5; //sck 上升沿 是 ID 的地址 } 如果是选用 SCK 下降沿输入、上升沿输出的 SPI 接口类 型，只需要把上面循环中的 SCK 上升沿和 SCK 下降沿交换一 下，就能满足新时序的要求。上述代码段代码精简，灵活性 强。可以在具体的 SPI 读写程序中实现硬件接口的功能。其 } P4OUT&=~BIT7; SpiWrite(command,4); SpiRead(5); P4OUT |=BIT7; //CE 设为 0， //给 flash 芯片发指令 //读取 5 个字符 //CE 拉高 － 1170 － 

在以上的函数中需要调用如下的两个子函数，分别实现 SPI 串口的读写功能，SpiWrite () 函数的主要功能是向 flash 芯 片发送指令，把需要发送的指令通过 SPI 模拟功传给 flash 芯 片。其函数代码如下： void SpiWrite(char *Buffer, int cnt){ //Buffer 是写入的字 符串，cnt 是字符串的长度 char data; int i,j; for(j=0;j