裸机驱动框架搭建：GPIO模拟SPI、发送函数封装、延时函数校准

好，咱们进入第四章。前面几章我们把硬件连接、示波器探头都搞定了，现在要真正开始写代码了。

这一章的核心就三件事：用GPIO模拟SPI时序、把发送逻辑封装成函数、把延时函数校准到微秒级。说白了，就是让MCU学会“说话”，而且说得准。

4.1 为什么不用硬件SPI？

你可能会问：“芯片明明有硬件SPI，为什么还要用GPIO模拟？”

嗯，这个问题我当年也纠结过。后来在一个项目里，硬件SPI的引脚被其他外设占用了，又不想改PCB，只好用GPIO模拟。结果发现，模拟SPI有几个硬件SPI比不了的好处：

• 引脚任意：随便哪几个GPIO都能当SCK、MOSI、MISO、CS
• 时序可调：想快就快，想慢就慢，调试阶段特别方便
• 移植性强：换MCU平台，改几行GPIO宏定义就行
• 便于抓波：你可以手动控制每一拍，示波器上看得一清二楚

当然，缺点也有——速度上限低，CPU占用高。但对于驱动一块320×240的LCD来说，绰绰有余。

4.2 GPIO模拟SPI的底层实现

SPI的时序其实不复杂。以模式0为例（CPOL=0, CPHA=0）：

• 空闲时SCK为低电平
• 数据在SCK上升沿采样
• 数据在SCK下降沿变化

我习惯把SPI的每一“位”传输拆成四个步骤：

1. 设置MOSI电平（根据当前发送位是0还是1）
2. 拉高SCK（上升沿，从机采样）
3. 读取MISO（如果需要接收数据）
4. 拉低SCK（下降沿，准备下一位）

来看代码：

/* SPI引脚宏定义 */
#define SPI_SCK_PIN      GPIO_PIN_5
#define SPI_MOSI_PIN     GPIO_PIN_7
#define SPI_MISO_PIN     GPIO_PIN_6
#define SPI_CS_PIN       GPIO_PIN_4
#define SPI_GPIO_PORT    GPIOB

/* 引脚操作宏 */
#define SPI_SCK_H()      HAL_GPIO_WritePin(SPI_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define SPI_SCK_L()      HAL_GPIO_WritePin(SPI_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define SPI_MOSI_H()     HAL_GPIO_WritePin(SPI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define SPI_MOSI_L()     HAL_GPIO_WritePin(SPI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define SPI_CS_H()       HAL_GPIO_WritePin(SPI_GPIO_PORT, SPI_CS_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define SPI_CS_L()       HAL_GPIO_WritePin(SPI_GPIO_PORT, SPI_CS_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define SPI_MISO_READ()  HAL_GPIO_ReadPin(SPI_GPIO_PORT, SPI_MISO_PIN)

/* 发送一个字节（MSB first） */
void SPI_WriteByte(uint8_t data)
{
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        /* 先设置MOSI */
        if (data & 0x80)
            SPI_MOSI_H();
        else
            SPI_MOSI_L();

        /* 拉高SCK，从机在上升沿采样 */
        SPI_SCK_H();
        delay_us(1);  /* 延时校准后再说 */

        /* 拉低SCK，准备下一位 */
        SPI_SCK_L();
        delay_us(1);

        data <<= 1;  /* 移到下一位 */
    }
}

4.3 发送函数封装：从字节到命令

LCD驱动通常需要两种操作：写命令和写数据。区别在于DC引脚的电平：

• DC=0：当前传输的是命令
• DC=1：当前传输的是数据

我一般这样封装：

/* DC引脚控制 */
#define LCD_DC_PIN       GPIO_PIN_3
#define LCD_DC_PORT      GPIOB
#define LCD_DC_CMD()     HAL_GPIO_WritePin(LCD_DC_PORT, LCD_DC_PIN, GPIO_PIN_RESET)
#define LCD_DC_DATA()    HAL_GPIO_WritePin(LCD_DC_PORT, LCD_DC_PIN, GPIO_PIN_SET)

/* 写命令 */
void LCD_WriteCmd(uint8_t cmd)
{
    LCD_DC_CMD();        /* DC拉低，表示命令 */
    SPI_CS_L();          /* 拉低片选 */
    SPI_WriteByte(cmd);  /* 发送命令字节 */
    SPI_CS_H();          /* 拉高片选 */
}

/* 写数据 */
void LCD_WriteData(uint8_t data)
{
    LCD_DC_DATA();       /* DC拉高，表示数据 */
    SPI_CS_L();          /* 拉低片选 */
    SPI_WriteByte(data); /* 发送数据字节 */
    SPI_CS_H();          /* 拉高片选 */
}

你看，这样封装之后，上层代码就变得很干净：

LCD_WriteCmd(0x11);   // 退出睡眠模式
LCD_WriteCmd(0x36);   // 设置扫描方向
LCD_WriteData(0x00);  // 参数

4.4 延时函数校准：别让时序“跑偏”

延时函数是模拟SPI的命脉。延时不准，时序就乱，LCD显示就会花屏。

我见过很多人直接用HAL_Delay(1)来做微秒级延时——这其实是个大坑。HAL_Delay是基于SysTick的，精度只有1ms，根本没法用在SPI位传输上。

正确的做法是：用定时器或者空循环做微秒级延时，然后用示波器校准。

4.4.1 实现一个微秒级延时函数

/* 使用DWT（Data Watchpoint and Trace）实现高精度延时 */
/* 需要先使能DWT：CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; */
/* 然后使能CYCCNT：DWT->CTRL |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk; */

void delay_us(uint32_t us)
{
    uint32_t start = DWT->CYCCNT;
    uint32_t ticks = us * (SystemCoreClock / 1000000);  /* 计算需要的时钟周期数 */
    while ((DWT->CYCCNT - start) < ticks);
}

这个方法的原理很简单：DWT的CYCCNT寄存器每个时钟周期加1，我们算出目标微秒对应的时钟周期数，然后死等。

4.4.2 用示波器校准延时

代码写完了，怎么知道延时准不准？用示波器看！

校准步骤：

1. 写一个测试函数，让某个GPIO先拉高，然后调用delay_us(10)，再拉低
2. 用示波器探头测这个GPIO的波形
3. 测量高电平的宽度，看是不是10μs

/* 校准测试函数 */
void delay_calibration_test(void)
{
    while (1)
    {
        TEST_PIN_H();       /* 拉高 */
        delay_us(10);       /* 延时10μs */
        TEST_PIN_L();       /* 拉低 */
        delay_us(10);       /* 延时10μs */
    }
}

示波器上应该看到20μs周期的方波，高电平10μs，低电平10μs。如果不对，调整SystemCoreClock的值或者循环次数。

4.5 本章知识体系

下面这张图把本章的核心逻辑串起来了：

4.6 调试阶段的几个实用技巧

最后分享几个我在调试SPI驱动时常用的方法：

场景	方法	说明
确认SCK频率	示波器测SCK引脚	看方波周期是否等于 2 × (延时时间 × 8)
确认MOSI数据	示波器看MOSI波形	发一个已知字节（如0x55），看波形是否交替变化
确认CS时序	双通道看CS和SCK	CS拉低后SCK才开始，CS拉高前SCK已结束
确认DC电平	示波器看DC和SCK	写命令时DC为低，写数据时DC为高
延时校准	测GPIO翻转宽度	拉高→延时→拉低，测高电平宽度