“詳解串行外設接口及其與存儲器、顯示屏、Wi-Fi模塊和SD卡的通信應用。”

在先前文章中，我探討了現代 OLED 顯示屏與裸機微控制器對接的驚人便捷性。我的觀點很簡單：多數嵌入式應用中，采用完整 Linux SoC 平臺（如樹莓派）不僅冗余，反而會引發更多待解難題。

可能會有人反駁：OLED 模塊或許是個特例。比如為 MCU 添加無線連接或外部閃存模塊，工程復雜度必定陡增。

雖無普適答案，但我認為 OLED 相關的練習比大多數練習都要更難。在無需千兆級傳輸速率的場景中，嵌入式外設多采用串行外設接口（SPI）：這種極其簡單的全雙工總線輕松實現超 50 Mbps 傳輸速率，且通常規避了 OLED 內存排序邏輯等異常設計。

SPI 的基本原理和操作方式很容易理解：由 MCU 主導通信流程。當需傳輸數據時，MCU 將對應外設的「片選」（CS-）引腳拉低，并向總線 SCK（串行時鐘）線輸出時鐘信號。MCU 通過 MOSI（主出從入）逐位發送數據（通常在時鐘上升沿觸發），外設則通過 MISO（主入從出）并行回應。

常用（“模式 0”）的 SPI 協議要點

時鐘信號在傳輸單個字節或其整數倍后自動停止。當 MCU 需單向接收數據時，可通過 MOSI 發送虛擬字節以激活總線時鐘，同時讀取 MISO 數據；同理，外設亦可借此機制保持通信同步。

盡管從某種角度來說，為 SPI 總線提供硬件驅動可能并不是絕對必要的，但很多微控制器還是會提供一個針對 SPI 總線的硬件驅動。以 ATmega328P 為例，其 SPI 數據寄存器（SPDR）具備自動收發功能：當向該寄存器寫入字節時，系統自動執行 SPI 總線傳輸，發送數據的同時，該寄存器還會被來自 MISO（Master In Slave Out）的數據替換。傳輸完成時，微控制器就會在 SPI 狀態寄存器（SPSR）中設置“SPI 完成”（SPIF）標志位。

假設我需要將 ATmega328P 與一款 128kB SRAM模塊（型號23LC1024）對接。該模塊僅有 8 個引腳：2 個電源引腳（支持 2.5-5.5V 輸入），4 個基礎 SPI 接口引腳，以及 2 個無需連接的冗余引腳。具體連接時，需將模塊的"串行輸入"（SI）引腳接至 MCU 的 MOSI 線路，"串行輸出"（SO）引腳接至 MISO 線路，SCK（時鐘）線需互聯。最后的"片選"（CS-）引腳可接至 MCU任意輸出線，本例將采用端口B的第 0 位。

完成硬件連接后，需返回微控制器進行配置：通過 DDRB 寄存器的位映射設置 MOSI 和 SCK 引腳為輸出模式，MISO 為輸入模式（如先前所述）。接著在 SPI 配置寄存器（SPCR）中激活兩個標志位："SPI 使能"（SPE）與"主控模式"（MSTR）:

DDRB=0b11101111;SPCR= (1<< SPE) | (1?<< MSTR);

除基本配置外，SPCR 寄存器還支持總線速率分頻設置（如SPI2X、SPR1/SPR0位），但實驗階段默認速率（通常為系統時鐘的1/4）已能滿足需求。完成寄存器初始化后，可通過以下函數實現與存儲控制器的單字節雙向通信：

uint8_tspi_rxtx_byte(uint8_tval){ SPDR = val;while(!(SPSR & (1<< SPIF)));??return?SPDR;}

應用層協議也很簡單，寫入流程如下：

發送寫指令碼 0x02

發送 3 個字節的寫入地址

連續發送待寫入數據流

拉高 CS- 引腳結束操作

雖然圖表看似復雜，但實現這一功能的代碼卻簡單而貼心：

voidwrite_ext_ram_bytes(uint32_taddr,constuint8_t* ptr,uint16_tlen){ PORTB &= ~1;/* CS- down */spi_rxtx_byte(0x02);spi_rxtx_byte(addr >>16);spi_rxtx_byte(addr >>8);spi_rxtx_byte(ext_addr);while(len--)spi_rxtx_byte(*(ptr++)); PORTB |=1;/* CS- up */}

讀取存儲器的工作原理大致相同，MCU 會發送一條 “讀取 ”命令 (0x03)，然后不斷發送虛字節，同時保存從存儲器芯片收到的響應：

voidread_ext_ram_bytes(uint32_taddr,uint8_t* ptr,uint16_tlen){ PORTB &= ~1;/* -CS down */spi_rxtx_byte(0x03);spi_rxtx_byte(addr >>16);spi_rxtx_byte(addr >>8);spi_rxtx_byte(addr);while(len--) *(ptr++) =spi_rxtx_byte(0); PORTB |=1;/* -CS up */}

無論是與SRAM芯片通信、對接非易失性閃存控制器、驅動SD存儲卡，還是操作樂鑫（Espressif）等廠商推出的低成本WiFi+TCP/IP模組，SPI總線協議棧的核心交互邏輯均高度統一。
值得關注的是，當前主流WiFi模組的應用層協議竟沿用了1980年代Hayes調制解調器的指令體系（經適度現代化改造）。例如，開發者仍可通過經典"AT"指令集發起HTTP請求——這種將復古命令行與現代物聯網技術深度融合的設計，堪稱嵌入式領域的"復古科技彩蛋"。

原文轉載自：https://lcamtuf.substack.com/p/mcu-land-part-2-mysteries-of-the，經過翻譯及校驗

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