ESP32S3的SPI2_HOST使用spi_master外设时，用"spi_bus_add_device"添加大于三个从机时报错 (IDFGH-7288)

[ou2356]

Environment

• Module or chip used: [ESP32S3-WROOM-1]
• IDF version (run git describe --tags to find it):
  // Release v4.4
• Build System: [CMake]
• Compiler version (run xtensa-esp32-elf-gcc --version to find it):
  // xtensa-esp32-elf-gcc (crosstool-NG esp-2021r2-patch2) 8.4.0
• Operating System: [Windows]
• (Windows only) environment type: [ESP Command Prompt].
• Using an IDE?: [Yes (Eclipse + IDF插件)]
• Power Supply: [USB]

Problem Description

ESP32S3的SPI外设的SPI2在官方文档中说到最大支持6个设备，但是当我添加第4个设备时就出现了错误。

Expected behavior

4个SPI设备可以同时正常添加且使用。

Actual behavior

只能同时添加3个SPI设备（当我在4个SPI设备的添加中注释掉任何一个SPI设备的添加都可以正常运行）

Code to reproduce this issue

    esp_err_t ret;
    spi_bus_config_t SPI2_buscfg={
        .sclk_io_num=SPI_PIN_CLK,
        .mosi_io_num=SPI_PIN_MOSI,
        .miso_io_num=SPI_PIN_MISO,
        .quadwp_io_num=-1,
        .quadhd_io_num=-1,
//        .max_transfer_sz=8,
    };

    gpio_set_pull_mode(SPI_PIN_CLK, GPIO_PULLUP_ONLY);
    gpio_set_pull_mode(SPI_PIN_MOSI, GPIO_PULLUP_ONLY);
    gpio_set_pull_mode(SPI_PIN_MISO, GPIO_PULLUP_ONLY);
    
    //Initialize the SPI bus
    ret=spi_bus_initialize(SPI2_HOST, &SPI2_buscfg, SPI_DMA_CH_AUTO);
    ESP_ERROR_CHECK(ret);

    spi_device_interface_config_t devcfg={
    	.address_bits = 8,
        .clock_speed_hz=BMM150_SPI_SPEED,            	//Clock out at 10 MHz
        .mode=BMM150_SPI_MODE,                         //SPI mode (CPOL, CPHA)
        .spics_io_num=BMM150_PIN_CS,            //CS pin
        .queue_size=1,                          //We want to be able to queue 1 transactions at a time
        .flags = /*SPI_DEVICE_3WIRE | */SPI_DEVICE_HALFDUPLEX,
        .cs_ena_pretrans = 1,
    };
    //Attach the BMM150 to the SPI bus
    ret=spi_bus_add_device(SPI2_HOST, &devcfg, &spi);
    ESP_ERROR_CHECK(ret);

    spi_device_interface_config_t devcfg={
    	.address_bits = 8,
        .clock_speed_hz=BMP390_SPI_SPEED,            	//Clock out at 10 MHz
        .mode=BMP390_SPI_MODE,                         //SPI mode (CPOL, CPHA)
        .spics_io_num=BMP390_PIN_CS,            //CS pin
        .queue_size=1,                          //We want to be able to queue 1 transactions at a time
        .flags = /*SPI_DEVICE_3WIRE | */SPI_DEVICE_HALFDUPLEX,
        .cs_ena_pretrans = 1,
    };
    //Attach the BMP390 to the SPI bus
    ret=spi_bus_add_device(SPI2_HOST, &devcfg, &spi);
    ESP_ERROR_CHECK(ret);

    spi_device_interface_config_t devcfg_acc={
    	.address_bits = 8,
        .clock_speed_hz=BMI088_SPI_SPEED,            	//Clock out at 10 MHz
        .mode=BMI088_SPI_MODE,                         //SPI mode (CPOL, CPHA)
        .spics_io_num=BMI088_A_PIN_CS,            //CS pin
        .queue_size=1,                          //We want to be able to queue 1 transactions at a time
        .flags = /*SPI_DEVICE_3WIRE | */SPI_DEVICE_HALFDUPLEX,
        .cs_ena_pretrans = 1,
    };
    //Attach the BMI088 to the SPI bus
    ret=spi_bus_add_device(SPI2_HOST, &devcfg_acc, &spi_acc);
    ESP_ERROR_CHECK(ret);

    spi_device_interface_config_t devcfg_gyr={
    	.address_bits = 8,
        .clock_speed_hz=BMI088_SPI_SPEED,            	//Clock out at 10 MHz
        .mode=BMI088_SPI_MODE,                         //SPI mode (CPOL, CPHA)
        .spics_io_num=BMI088_G_PIN_CS,            //CS pin
        .queue_size=1,                          //We want to be able to queue 1 transactions at a time
        .flags = /*SPI_DEVICE_3WIRE | */SPI_DEVICE_HALFDUPLEX,
        .cs_ena_pretrans = 1,
    };
    //Attach the BMI088 to the SPI bus
    ret=spi_bus_add_device(SPI2_HOST, &devcfg_gyr, &spi_gyr);
    ESP_ERROR_CHECK(ret); //在这里返回错误信息

Debug Logs

ESP_ERROR_CHECK failed: esp_err_t 0x101 (ESP_ERR_NO_MEM) at 0x4037ac08
file: "../components/BMI088/UserBmi088.c" line 74
func: mbmi088_user_config_spi_bus
expression: ret

Other items

然后我试图查找产生这个错误的原因：
1、触发"ESP_ERR_NO_MEM"错误的位置为：

esp-idf/components/driver/spi_master.c

Lines 338 to 340 in a82e6e6

	err = spi_bus_lock_register_dev(bus_attr->lock, &lock_config, &dev_handle);
	if (err != ESP_OK) {
	goto nomem;

2、间接原因位置：

esp-idf/components/driver/spi_bus_lock.c

Lines 558 to 581 in a82e6e6

	static int try_acquire_free_dev(spi_bus_lock_t *lock, bool cs_required)
	{
	if (cs_required) {
	int i;
	for (i = 0; i < lock->periph_cs_num; i++) {
	intptr_t null = (intptr_t) NULL;
	//use 1 to occupy the slot, actual setup comes later
	if (atomic_compare_exchange_strong(&lock->dev[i], &null, (intptr_t) 1)) {
	break;
	}
	}
	return ((i == lock->periph_cs_num)? -1: i);
	} else {
	int i;
	for (i = DEV_NUM_MAX - 1; i >= 0; i--) {
	intptr_t null = (intptr_t) NULL;
	//use 1 to occupy the slot, actual setup comes later
	if (atomic_compare_exchange_strong(&lock->dev[i], &null, (intptr_t) 1)) {
	break;
	}
	}
	return i;
	}
	}

esp-idf/components/driver/spi_common.c

Lines 812 to 816 in a82e6e6

	spi_bus_lock_config_t lock_config = {
	.host_id = host_id,
	.cs_num = SOC_SPI_PERIPH_CS_NUM(host_id),
	};
	err = spi_bus_init_lock(&bus_attr->lock, &lock_config);

3、我推测的根本原因位置：

esp-idf/components/soc/esp32s3/include/soc/soc_caps.h

Line 248 in a82e6e6

#define SOC_SPI_PERIPH_CS_NUM(i) 3

（这里的宏定义恒为3，与官方文档中说到最大支持6个设备不符合）

##后续的自我尝试

当我推测到这个根本原因位置后，把

esp-idf/components/soc/esp32s3/include/soc/soc_caps.h

Line 248 in a82e6e6

#define SOC_SPI_PERIPH_CS_NUM(i) 3

更改成

#if CONFIG_IDF_TARGET_ESP32
#define SOC_SPI_PERIPH_CS_NUM(i)            3
#else
#define SOC_SPI_PERIPH_CS_NUM(i)            ((i == SPI2_HOST)? 6 : 3)
#endif

编译运行之后，虽然可以成功添加4个SPI设备，但是第四个添加的设备读取到的数据全是0xFF，估计就是通信失败。

[Huckies]

用逻辑分析仪抓下cs线的电平看看？六个设备指的是三根cs线分别在高低电平的时候使能一个设备

[ou2356]

@Huckies
感谢你的建议，但是很遗憾我没有逻辑分析仪。
但是六个设备真的是指3根片选控制六个设备吗？我也不太确定，可能是自己看漏了官方的文档，如果你方便的话可以发一下截图或者网址吗？我非常需要确认这一点以便后续硬件设计做出合理的更改。
我的推测是ESP32的SPI2是最大支持3个设备的，但是后来出的ESP32S2和S3等都是支持6个的，我只是怀疑是不是官方忘记更改成6个设备了，但感觉也不太可能，一切都只是我的猜测。

[ou2356]

好消息是我找到一个折中的解决方法：

    gpio_set_pull_mode(BMP390_PIN_CS, GPIO_PULLUP_ONLY);
    gpio_set_direction(BMP390_PIN_CS, GPIO_MODE_OUTPUT);
    gpio_set_level(BMP390_PIN_CS, 1);

    esp_err_t ret;
    spi_device_interface_config_t devcfg={
    	.address_bits = 8,
        .clock_speed_hz=BMP390_SPI_SPEED,            	//Clock out at 10 MHz
        .mode=BMP390_SPI_MODE,                         //SPI mode (CPOL, CPHA)
        .spics_io_num=/*BMP390_PIN_CS*/-1,            //禁用CS pin
        .queue_size=1,                          //We want to be able to queue 1 transactions at a time
        .flags = /*SPI_DEVICE_3WIRE | */SPI_DEVICE_HALFDUPLEX,
        .pre_cb = bmp390_pre_cb, //把CS置低
        .post_cb = bmp390_post_cb, //把CS置高
    };
    //Attach the BMP390 to the SPI bus
    ret=spi_bus_add_device(BMP390_SPI_HOST, &devcfg, &spi);
    ESP_ERROR_CHECK(ret);

就是上面的配置，我把它理解为用软件片选代替硬件片选，就是把CS脚设置为-1（即禁用CS脚），然后把通信前调用的回调函数设置为把CS置低，通信后调用的回调函数设置为把CS置高，这样也能用。

[wanckl]

@ou2356 你好，确实是官方忘记更改CS对应引脚信号的问题，很抱歉给你造成了困扰。目前S2,S3,C2,C3都有这个问题，并将在这个Issue关闭后得到解决，届时将可以使用6个引脚添加6个设备来使用。同时，感谢你的反馈。

[ou2356]

@ou2356 你好，确实是官方忘记更改CS对应引脚信号的问题，很抱歉给你造成了困扰。目前S2,S3,C2,C3都有这个问题，并将在这个Issue关闭后得到解决，届时将可以使用6个引脚添加6个设备来使用。同时，感谢你的反馈。

好的，加油！

[wanckl]

@ou2356 这个问题在master上已经修复，你可以切换到master分支进行测试。如果你使用release版本，则还需要等待内部测试完成发布下一个小版本的时候才能使用。感谢！

[jinsonli]

你好， 我也遇到了类似问题。
芯片： ESP32S3
环境： ESP-IDF4.4版本 release/v4.4 拉了官方最新的V4.4
场景：需要使用SPI2外挂 4个 从机设备，能够操作两个设备没问题（CS0/CS1），第三个设备初始化时，通讯全是0XFFFF，底层代码，CS有正常初始化，也有正常添加从机设备。
#8876
所以我怀疑这个问题还没有真正关闭。

[wanckl]

@jinsonli 可以提供一下你使用的commit id吗，
此外，GPSPI2才可以挂6个设备，GPSPI3只能3个。CS不需要额外手动初始化，通信成功但数据不对，也可能是从机没有发出数据，你可以交换你的几个设备试试，如果你有逻辑分析仪就更好了

[uta-guy]

为了简化操作在ARDUINO 2.3.2内安装ESP32 V2.0.15测试运行SPI2外接6个SPI设备（需要6个CS端口）失败。 只能支持4个。查看ARDUINO下载的2.0.15库找到ESP32S3对应的soc_caps.h仍然显示限制数3. 查看最新版ESP-IDF V5.2.1中同一文件soc_caps.h确认已经修改为6，拷贝过去覆盖2.0.15库同文件，烧录无效。看来还有其他文件需要修改。 已经定制了上百片ESP32S3产品PCB，如短期内不能解决此问题只能全部报废换方案了。因为之前用的方案是METRO M4，主控是很老的SAMD21， 人家支持6个SPI毫无问题。