4、SPI接口驱动适配：从协议到波形

SPI 接口，说白了就是嵌入式 GUI 里最常用的「四线制」通信方式。我这些年经手的 LCD 驱动，十有八九都是 SPI 接口。为什么？因为它简单、可靠，而且大多数 MCU 都自带硬件 SPI 外设。

但简单归简单，真要把 SPI LCD 驱动写好、跑顺、还不占 CPU，里面还是有不少门道的。这一章，我就带你从协议回顾开始，一步步把驱动写出来，再上 DMA 优化，最后用示波器看看真实波形——嗯，这才是工程师该有的调试方式。

4.1 SPI 协议快速回顾

SPI 全称 Serial Peripheral Interface，摩托罗拉发明的。四根线：

• SCLK — 时钟，由主机产生
• MOSI — 主机输出，从机输入
• MISO — 主机输入，从机输出
• CS — 片选，低电平有效

对于 LCD 驱动，我们通常只需要 SCLK、MOSI、CS 三根线就够了。为什么？因为 LCD 基本不回传数据，MISO 可以省掉。我早期做的一个项目，为了省一个引脚，还把 CS 直接接地了——结果发现多个 SPI 设备共用总线时，片选必须单独控制，否则数据会串。嗯，这个坑我踩过。

SPI 有四种模式，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）决定：

LCD 驱动芯片，比如 ILI9341、ST7789，绝大多数默认使用 模式 0。你想想看，如果模式配错了，屏幕要么不亮，要么花屏。我建议你拿到 LCD 数据手册后，第一件事就是确认 SPI 模式，别急着写代码。

4.2 SPI LCD 驱动编写

驱动 SPI LCD，核心就两个操作：写命令 和 写数据。区别在于，写命令时 DC 引脚拉低，写数据时 DC 引脚拉高。

先看一个最基础的实现：

// 硬件抽象层 — 发送一个字节
static void spi_write_byte(uint8_t data)
{
    // 等待发送缓冲区空
    while (!(SPI->SR & SPI_SR_TXE));
    // 写入数据寄存器
    SPI->DR = data;
    // 等待接收完成（确保发送完毕）
    while (!(SPI->SR & SPI_SR_RXNE));
    // 读走接收寄存器（清标志）
    (void)SPI->DR;
}

// 写命令
void lcd_write_cmd(uint8_t cmd)
{
    LCD_DC_LOW();       // DC 拉低，表示命令
    LCD_CS_LOW();       // 片选使能
    spi_write_byte(cmd);
    LCD_CS_HIGH();      // 片选释放
}

// 写数据
void lcd_write_data(uint8_t data)
{
    LCD_DC_HIGH();      // DC 拉高，表示数据
    LCD_CS_LOW();
    spi_write_byte(data);
    LCD_CS_HIGH();
}

这个代码能跑，但效率很低。为什么？因为每个字节都要等待硬件标志位。如果你要刷一帧 320×240 的图片，每个像素 2 字节，那就是 153600 次 SPI 传输——光等标志位就能把 CPU 拖死。

4.3 DMA 传输优化

要解决 CPU 被 SPI 拖死的问题，就得请出 DMA（直接存储器访问）。DMA 可以在不经过 CPU 的情况下，把数据从内存搬到 SPI 发送寄存器。

配置 DMA 的步骤大致如下：

1. 使能 DMA 时钟
2. 配置 DMA 通道：源地址（内存）、目的地址（SPI->DR）、传输方向（内存到外设）
3. 设置数据宽度（8 位或 16 位，看 LCD 要求）
4. 使能传输完成中断（可选）
5. 启动 DMA 传输

来看一个实际配置片段（以 STM32F4 为例）：

void lcd_dma_send(uint8_t *buf, uint32_t len)
{
    // 等待上一次 DMA 传输完成
    while (DMA2->LISR & DMA_LISR_TCIF0);

    // 关闭 DMA 流，清配置
    DMA2_Stream0->CR &= ~DMA_SxCR_EN;

    // 配置源地址、目的地址、传输长度
    DMA2_Stream0->PAR = (uint32_t)&SPI1->DR;
    DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)buf;
    DMA2_Stream0->NDTR = len;

    // 使能 DMA 流
    DMA2_Stream0->CR |= DMA_SxCR_EN;

    // 使能 SPI 的 DMA 发送请求
    SPI1->CR2 |= SPI_CR2_TXDMAEN;
}

这里有个关键点：DMA 传输完成后，一定要等 SPI 把最后一个字节发完。我曾经遇到过一个问题：DMA 说传完了，但 SPI 移位寄存器里还有数据没送出去，结果屏幕最后一行数据丢了。解决方案是在 DMA 传输完成中断里，等待 SPI 忙标志位清除：

void DMA2_Stream0_IRQHandler(void)
{
    if (DMA2->LISR & DMA_LISR_TCIF0) {
        // 清除标志
        DMA2->LIFCR = DMA_LIFCR_CTCIF0;
        // 等待 SPI 发送完毕
        while (SPI1->SR & SPI_SR_BSY);
        // 关闭 DMA 请求
        SPI1->CR2 &= ~SPI_CR2_TXDMAEN;
    }
}

4.4 实测波形调试

代码写完了，跑起来屏幕亮了，但总觉得刷新速度不够快？或者偶尔花屏？这时候别瞎猜，上示波器看波形。

我调试 SPI 时，一般会看这几个关键点：

• SCLK 频率：是不是和配置的一致？如果示波器显示频率只有配置的一半，检查时钟分频系数。
• CS 时序：CS 拉低后，SCLK 第一个边沿之前有没有足够的建立时间？我见过一个案例，CS 和 SCLK 几乎同时变化，导致 LCD 误判第一个时钟边沿。
• MOSI 数据：数据是否在 SCLK 的采样边沿稳定？如果数据在边沿附近跳变，说明时序裕量不足。
• DMA 传输间隔：两次 DMA 传输之间有没有不必要的延迟？

下面这张图是我总结的 SPI LCD 驱动调试流程：

实际调试时，我习惯把 SCLK 和 CS 放在示波器的两个通道上，触发条件设为 CS 下降沿。这样每次刷屏时，都能看到完整的片选周期和时钟波形。如果发现 CS 拉低后 SCLK 迟迟不来，说明软件里可能有额外的延迟——检查一下是不是在 CS 操作前后插了不必要的延时函数。

最后说一句：SPI 驱动调试，不要只盯着代码看。示波器才是你的眼睛。波形对了，代码基本没问题；波形不对，代码再漂亮也没用。