Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №6

Синхронный последовательный интерфейс SPI в микроконтроллерах от «А до Я» и его реализация в ADuC70xx фирмы Analog Devices. Часть 3

Новицкий Александр


Микроконтроллеры Analog Devices семейства ADuC70xx представляют собой однокристальные системы обработки аналоговых сигналов на базе популярного RISC+ядра ARM7TDMI. Помимо высококачественной подсистемы аналого-цифрового преобразования (5–16 каналов АЦП, 12 бит, до 2 МГц, до 4 каналов ЦАП, 12 бит), микроконтроллеры содержат типовой набор периферийных устройств, в том числе интерфейс SPI.

Все статьи цикла:

Микроконтроллеры семейства ADuC70xx представляют собой однокристальные системы обработки аналоговых сигналов на базе популярного RISC-ядра ARM7TDMI. Помимо высококачественной подсистемы аналого-цифрового преобразования (5–16 каналов АЦП, 12 бит, до 2 МГц, до 4 каналов ЦАП, 12 бит), микроконтроллеры содержат типовой набор периферийных устройств, в том числе интерфейс SPI.

Втехническом описании микросистем семейства [1], несмотря на его значительный объем (92 стр.), отдельные подсистемы отражены весьма кратко, вследствие чего бывает нелегко разобраться в тонкостях их функционирования. Кроме того, в ряде мест описание содержит неточности и досадные ошибки. Автор данной статьи использует в учебном процессе в Санкт-Петербургском политехническом университете отладочные модули, содержащие микроконтроллеры ADuC7020. Для получения ответов на многочисленные вопросы, возникавшие в ходе изучения технического описания и подготовки учебных материалов, пришлось проделать достаточно большое количество экспериментов. Дальнейшее описание подсистемы в значительной степени основано на результатах проведенного тестирования. Для тестирования использовалась среда разработки Keil μVision3 v3.53, которая входит в набор разработчика.

Длина пакета в SPI МК ADuC70xx составляет 8 битов, пакеты большей длины (кратной 8 битам) могут формироваться программно.

Сигналы подсистемы SPI

Подсистема SPI в составе МК ADuC70xx использует четыре сигнала интерфейса, в дальнейшем тексте обозначаемые как:

  • MOSI — выход данных в режиме ведущего, вход данных в режиме ведомого;
  • MISO — вход данных в режиме ведущего, выход данных в режиме ведомого;
  • SCK— выход тактирования (в режиме ведущего) или вход тактирования (в режиме ведомого);
  • SS — вход детекции коллизии (в режиме ведущего), вход выбора ведомого (в режиме ведомого).

Последний сигнал в техническом описании [1] имеет обозначение CSL, однако в данной статье будет использоваться общепринятое обозначение SS.

Сигналы интерфейса SPI используют выводы P1.4, …, P1.7 параллельного порта P1 микроконтроллера. Опишем кратко организацию параллельных портов в МК ADuC70xx.

Внешние интерфейсные выводы микроконтроллеров ADuC70xx — многофункциональные, каждый вывод имеет до четырех разных функций. Выводы в МК объединены в пять байтовых портов (P0, P1, … P4). Каждый байтовый порт имеет программно-управляемый мультиплексор, позволяющий программисту выбрать функцию индивидуально для каждого контакта, выбор производится записью четырехбитовых комбинаций в регистр GPxCON (x = 0…4).

Для порта P1 функции выводов и управление мультиплексором сведены в таблицу 1. Выводы и их режимы, относящиеся к SPI, выделены жирным шрифтом. Для настройки выводов P1.4, …, P1.7 в режим SPI следует в соответствии с таблицей 1 записать в биты 31…16 регистра GP1CON значение 0x2222.

Таблица 1. Функции выводов и управление мультиплексором порта P1

Порт Вывод Управляющие биты в GP1CON Код конфигурации (регистр GP1CON)
0000 0001 0010 0011
P1 P1.0 3…0 GPIO/T1 SIN (UART) SCL0 (I2C) PLAI[0]
P1.1 7…4 GPIO SOUT (UART) SDA0 (I2C) PLAI[1]
P1.2 11…8 GPIO RTS (UART) SCL1 (I2C) PLAI[2]
P1.3 15…12 GPIO CTS (UART) SDA1 (I2C) PLAI[3]
P1.4 19…16 GPIO/IRQ2 RI (UART) CLK (SPI) PLAI[4]
P1.5 23…20 GPIO/IRQ2 DCD (UART) MISO (SPI) PLAI[5]
P1.6 27…24 GPIO DSR (UART) MOSI (SPI) PLAI[6]
P1.7 31…28 GPIO DTR (UART) CSL (SPI) PLAO[0]

С каждым портом ввода/вывода связан многофункциональный 32-битовый регистр GPxDAT (x — номер порта, от 0 до 4), структура которого приведена в таблице 2. В режиме параллельного ввода/вывода биты 31…24 этого регистра определяют направление передачи каждого из выводов, биты 23…16 позволяют управлять выходными сигналами порта в режиме вывода. Чтение битов 7…0 регистра GPxDAT позволяет программе получить состояние сигналов на контактах порта.

Таблица 2. Структура и назначение полей в регистрах портов GPxDAT

GPxDAT 31…24 23…16 15…8 7…0
Функция Направление
(чтение и запись)
Установка выходов
(чтение и запись)
Сигналы на выводах
(только чтение)
Выводы 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0

Важно и полезно, что эта последняя возможность доступна при различных настройках мультиплексора. В частности, если выводы сконфигурированы для использования с подсистемой SPI, программа имеет возможность считывать уровни сигналов на линиях SPI чтением битов 7…4 регистра GP1DAT, в том числе и во время передачи пакета. Это использовалось при тестировании и позволило получить ответы на ряд вопросов.

Настройки направления передачи (биты 31…28 регистра GP1DAT) в режиме SPI не оказывают влияния на работу выводов P1.4, …, P1.7.

На каждом выводе портов в МК ADuC70xx имеется pull-up резистор (подтягивающий вход к логической единице). Величина этого резистора имеет порядок 100 кОм. Для части портов (в частности, для всех выводов порта P1) есть возможность программного отключения pull-up резисторов. В то же время выводы портов нельзя переключить в режим «открытого стока», которого требует организация параллельной магистрали на базе SPI с несколькими ведущими устройствами [3].

Регистровая модель подсистемы SPI

Программный интерфейс подсистемы SPI в ADuC70xx содержит пять программно доступных регистров:

  • SPIDIV — регистр делителя, позволяет задать скорость следования битовых интервалов в режиме ведущего.
  • SPITX — буфер передатчика. В него программа должна помещать очередной байт, подлежащий передаче.
  • SPIRX — буфер приемника. В этот регистр после окончания обмена очередного пакета из сдвигового регистра копируется принятый байт.
  • SPICON — регистр управления подсистемой SPI. Все переключения режимов производятся путем изменения отдельных битов в этом регистре.
  • SPISTA — регистр состояния подсистемы SPI. Биты в этом регистре отражают состояние частей подсистемы SPI, а также наличие запросов прерывания от этой подсистемы.

Выбор скорости передачи (частоты следования битовых интервалов)

Сначала о подсистеме тактирования МК. Тактирование может производиться от одного из нескольких источников. Это: а) встроенный низкостабильный генератор 215 Гц = 32 768 Гц (±3%); б) внутренний генератор, стабилизированный внешним кварцевым резонатором с частотой 32 768 Гц; в) внешний генератор с частотой в диапазоне от 0,05 до 44 МГц. В вариантах а и б частота 32 768 Гц используется как входная для умножителя ФАПЧ с коэффициентом 1275, формирующим на выходе частоту с номинальным значением 41 779 200 Гц. Эта последняя частота обозначается в документации как UCLK и используется как задающая для тактирования процессора и некоторых внутрикристальных периферийных узлов. В варианте в значение UCLK задается внешним генератором.

С целью энергосбережения процессор может тактироваться частотой HCLK = UCLK/2CD, где CD может задаваться программно в пределах от 0 до 7, что соответствует значениям HCLK от 41 779 200 до 326 400 Гц.

Частота следования битовых интервалов SPI задается содержимым регистра в соответствии с формулой:

FSCK = UCLK/(2×(1+SPIDIV)),

где SPIDIV — содержимое регистра делителя SPI, то есть она не зависит от настройки частоты процессора (в отличие от интерфейсов UART и I2C, которые входят в МК семейства ADuC70xx, для тактирования которых в качестве задающей используется HCLK). Однако максимальная битовая частота SPI ограничена сверху: в таблице 3 дано соотношение между настройкой тактовой частоты процессора и максимальной битовой частотой SPI для номинальной частоты задающего генератора 41 779 200 Гц.

Таблица 3. Максимальная битовая частота SPI в зависимости от настройки частоты процессора

HCLK, Гц 41 779 200 20 889 600 10 444 800 5 222 400 2 611 200 1 305 600
При CD 0 1 2 3 4 5
FSCK, Гц 3 481 600 1 740 800 870 400 435 200 217 600 108 800
При SPIDIV 5 11 23 47 95 191

При более низких частотах тактирования процессора (по утверждению производителя) интерфейс SPI неработоспособен.

В режиме ведомого тактирование подсистемы SPI осуществляется внешним сигналом SCK и поэтому происходит независимо от внутренней частоты тактирования МК. Однако максимально допустимое значение частоты SPI зависит от настройки частоты процессора и не может превышать HCLK/4. При максимальной допускаемой техническим описанием частоте тактирования 44 МГц (от внешнего генератора) частота приема данных может составлять до 11 Мбит/с (в техническом описании [1] указана величина 10,4 Мбит/с, она соответствует частоте тактирования 41 779 200 Гц, формируемой внутренним умножителем ФАПЧ).

Таблица 4. Назначение и свойства битов регистра управления SPICON

Бит Название Назначение
15–13 Не используются  
12 Непрерывная передача/
Старт-стопная передача
1 — если буфер передачи полон, промежуток между передаваемыми байтами отсутствует, сигнал SS сохраняет состояние 0.
0 — после передачи байта автоматически формируемый сигнал SS переводится в 1 на время одного тактового периода, даже если буфер передачи полон. Бит активен только в состоянии ведущего (при SPICON.1 = 1)
11 Замкнуть выход на вход
(тестовый режим)
Если 1 — тестовый режим (выход передатчика MOSI замыкается на вход приемника MISO).
Если 0 — нормальный режим работы
10 Разрешение выхода данных
ведомого
Если 1 — в режиме ведомого разрешается выходной сигнал MISO.
Если 0 — в режиме ведомого вывод MISO в отключенном состоянии. Бит активен только в состоянии ведомого (при SPICON.1 = 0)
9 Режим работы вывода SS
на ведущем
Если 1, то в режиме ведущего линия SS в состоянии «вход детекции коллизии».
Если 0, то в режиме ведущего сигнал SS формируется автоматически. Бит активен только в состоянии ведущего (при SPICON.1 = 1)
8 Разрешение замены данных
в SPIRX
Если 1, то при переполнении буфера приема SPIRX приходящий байт заменяет ранее принятый.
Если 0 — новый принятый байт теряется. Бит не активен в режиме «ведущий пуск чтением» (при SPICON.1 = 1, SPICON.6 = 0)
7 Режим работы SPITX
при запуске от SPIRX
Если 1, то (при установленном бите 6) передается нулевой байт.
Если 0, то повторяется передача предыдущего байта. Бит активен только в режиме «ведущий пуск чтением» (при SPICON.1 = 1, SPICON.6 = 0)
6 Выбор режима запуска
и прерывания
Если 1, то передача запускается в результате записи в буфер передачи SPITX. Запрос прерывания от SPI генерируется, если буфер передачи пуст.
Если 0, передача запускается в результате чтения из буфера приема SPIRX. Запрос прерывания генерируется, если буфер приема полон. В режиме ведомого (при SPICON.1 = 0) бит SPICON.6 управляет только формированием сигнала запроса прерывания
5 Порядок передачи битов Если 1, младшими битами вперед.
Если 0, старшими битами вперед (стандартная опция SPI)
4 Не используется
3 Полярность тактирования Если 1, уровень тактирования в паузе между пакетами — высокий.
Если 0, уровень тактирования в паузе между пакетами — низкий
2 Фаза тактирования Если 1, тактовый импульс в начале битового интервала (сначала сдвиг, затем захват [2, 3]).
Если 0, тактовый импульс в конце битового интервала (сначала захват, затем сдвиг)
1 Режим ведущего/ведомого Если 1, SPI в режиме ведущего. Активны биты 6, 9, 12, они определяют событие, запускающее передачу и поведение вывода SS. Если 0, SPI в режиме ведомого
0 Разрешение SPI Если 1, подсистема SPI включена.
Если 0, выключена. При выключении все прочие установки регистра SPICON сохраняют свои значения, а биты регистра SPISTA сбрасываются

Двойная буферизация приемопередатчика SPI в ADuC70xx и режимы запуска передачи

Сдвиговый регистр SPI в МК семейства ADuC70xx имеет двойную буферизацию как по передаче, так и по приему.

Буферизация передачи

Передаваемый байт записывается не прямо в сдвиговый регистр, а в буфер передачи SPITX. О состоянии буфера передачи «свободен» сигнализирует нулевое значение бита SPISTA.0 регистра состояния (табл. 5). Если выполнены условия запуска передачи пакета (см. далее), передаваемый байт немедленно копируется в сдвиговый регистр SPI, начинается передача, а буфер SPITX освобождается. В последнем случае программа может немедленно поместить в буфер SPITX следующий передаваемый байт.

Таблица 5. Назначение и свойства битов регистра состояния SPISTA (один байт)

Бит Описание
7–6 Резервировано
5 Флаг переполнения буфера приемника SPIRX. Устанавливается, если следующий байт принят до того, как был прочитан предыдущий. Сбрасывается при чтении SPISTA или при чтении SPIRX
4 Флаг запроса прерывания от приемника SPI. Устанавливается, если установлен бит SPISTA.31. Сбрасывается при чтении регистра SPIRX
3 Флаг наличия нового байта в SPIRX. Устанавливается по окончании приема байта. Сбрасывается при чтении регистра SPIRX
2 Оригинальное название этого бита — SPITX Data Register Underflow Status Bit. Активен только в режиме SPICON.6 = 1 (запуск передачи по чтению буфера SPIRX). Устанавливается в 1 в том случае, если перед запуском передачи в буфер SPITX не был помещен байт. Бит сбрасывается только при чтении регистра статуса SPISTA2
1 Бит запроса прерывания от передатчика SPI. Устанавливается, если SPISTA.0 = 0, то есть если буфер передачи SPITX пуст, либо если SPISTA.2 = 1, то есть если перед «запуском чтением» в буфер передачи не был помещен байт (SPITX Data Register Underflow)
0 Флаг состояния буфера передатчика. Устанавливается в 1, если буфер полон. Сбрасывается после начала передачи последнего байта, когда освобождается буфер SPITX3
1 В техническом описании [1] указано, что SPISTA.4 устанавливается, если установлен любой из битов SPISTA.3 или SPISTA.5. Однако бит 5 может быть установлен только при установленном бите 3, поэтому указание второго условия представляется излишним.
2 Вопреки утверждению, приведенному в техническом описании [1], бит SPISTA.2 не удается сбросить записью в буфер передачи SPIRX.
3 В техническом описании написано: “This bit is set during transmission of data”. («Этот бит установлен, пока продолжается передача»). Данное утверждение неверно.

Буферизация приема

По окончании передачи байт, принятый в сдвиговый регистр SPI, немедленно копируется в буфер приемника SPIRX. Наличие принятого байта в SPIRX сигнализирует единичное значение бита SPISTA.3. Если программа не успеет считать принятый байт до того, как таким же образом будет принят еще один байт, в регистре состояния устанавливается бит SPISTA.5 переполнения приема.

Режимы запуска передачи

Для подсистемы SPI, сконфигурированной как ведущее устройство, можно выбрать один из двух режимов: 1) запуск записью передаваемого байта в буфер передачи SPITX, 2) запуск чтением содержимого буфера приема SPIRX. Эти два режима далее будут обозначаться как «ведущий пуск записью» («ведущий-ПЗ») и «ведущий пуск чтением» («ведущий-ПЧ»). В подсистеме SPI, сконфигурированной как ведомое устройство, передача управляется внешними сигналами от ведущего, а запись в SPITX или чтение SPIRX не влияют на процесс передачи.

Таким образом, передатчик SPI может находиться в следующих состояниях.

  1. Буфер передачи SPITX пуст, сдвиговый регистр остановлен.
  2. Буфер передачи SPITX полон, сдвиговый регистр остановлен. Это состояние возможно либо в режиме «ведущий-ПЗ», либо в режиме «ведомый».
  3. Буфер передачи пуст, идет сдвиг в регистре (передача пакета).
  4. Буфер передачи полон, идет сдвиг в регистре.

Приемник SPI может находиться в следующих состояниях:

  1. Буфер приема пуст, сдвиговый регистр остановлен.
  2. Буфер приема пуст, идет сдвиг в регистре.
  3. Буфер приема полон, сдвиговый регистр остановлен (обмен закончился, принятый байт еще не считан).
  4. Буфер приема полон, идет сдвиг в регистре.
  5. Буфер приема полон и не был считан, закончился прием следующего байта — переполнение буфера приема.

Далее будут описаны состав и назначение битов в SPISTA— регистре состояния подсистемы SPI. К сожалению, не все из перечисленных состояний можно различить, анализируя биты в SPISTA. В частности, нельзя определить состояние регистра сдвига: продолжается передача либо уже закончилась.

Управление режимами SPI в ADuC70xx

Управление осуществляется через регистр SPICON — управляющий регистр порта SPI (два байта). Функции битов этого регистра указаны в таблице 4.

Рассмотрим функции и особенности отдельных битов управления более подробно:

  • Бит 0. Включает или отключает подсистему SPI. При выключении подсистемы очищаются и становятся недоступными для обращения регистры SPISTA, SPITX, SPIRX. Регистр SPIDIV доступен для обращения всегда, его содержимое не изменяется при переключении бита 0.
  • Бит 1. Выбор режима «ведущий» либо «ведомый». В режиме ведущего выводы SCK и MOSI переходят в режим «выход», вывод MISO — в режим «вход». Функция вывода SS зависит от состояния бита SPICON.9 (см. описание далее). Режим запуска обмена зависит от значения бита SPICON.6. Бит SPICON.10 — не активен. В режиме ведомого выводы SCK, MOSI и SS переходят в режим «вход». Состояние вывода MISO: при SPICON.9 = 1— выход, при SPICON.9 = 1— отключен.
  • Бит 2. Выбор фазы тактирования (порядка действий «захват – сдвиг»). Влияние этого и следующего битов соответствует общепринятому и подробно описано в [2, 3].
  • Бит 3. Полярность тактовых импульсов. Значение бита 3 задает уровень сигнала SCK в паузе между пакетами.
  • Бит 5. Установка этого бита в 1 позволяет изменить порядок следования битов — начиная с младшего.
  • Бит 6. При выборе варианта SPICON.6 = 1 — «пуск записью» — запрос прерывания формируется в случае, когда в буфере передачи есть место для следующего байта. Изменение состояния буфера приема не вызывает запроса прерывания. Аналогично, при выборе SPICON.6 = 0— «пуск чтением» — на формирование запроса прерывания не оказывает влияния изменение состояния буфера передачи. В режиме ведомого позволяет выбирать только источник запроса прерывания: состояние буфера приема либо состояние буфера передачи.
  • Бит 7. В режиме «пуск чтением», когда ведущему МК требуется только принимать данные от ведомого устройства, позволяет избежать лишних действий при записи в буфер передачи. Эта возможность оказывается полезной при обмене с некоторыми типами ведомых, в частности с микросхемами Flash-памяти.
  • Бит 8. Задает поведение буфера приема при его переполнении в режиме «пуск записью», либо в состоянии ведомого.
  • Бит 9. В режиме ведущего, при SPICON.9 = 0 включается режим автоматического формирования сигнала SS. Вывод SS при этом является выходом. При пуске передачи пакета (как «чтением», так и «записью») схемотехника SPI переводит выход SS в активное (низкое) состояние, после чего начинается формирование пачки сдвиговых импульсов на выходе SCK. Если к моменту окончания передачи байта имеется условие запуска передачи следующего байта, передача тут же начинается — немедленно либо с промежутком в один период SCK. Наличие этого промежутка, а также поведение сигнала SS между пакетами зависит от установки бита SPICON.12. В режиме ведущего при SPICON.9 = 1 вывод SS переходит в режим входа «детекции коллизии» [3]. Этот режим позволяет обнаружить конфликт на симметричной магистрали с несколькими ведущими. Если данный МК серии ADuC70xx, подключенный к такой магистрали, находится в состоянии ведущего, на нем включен режим детекции коллизии, а какой-либо другой абонент также перешел в состояние ведущего и начал передачу пакета (переключил свой выход, соединенный с линией SS, в низкий уровень), то в данном МК серии ADuC70xx этот факт распознается автоматически. При этом: а) происходит переключение в режим ведомого, б) подсистема SPI отключается, и тем самым удается избежать логического и электрического конфликта на параллельной магистрали.
  • Бит 10. Возможность отключить выход ведомого позволяет реализовать режим широковещательной передачи от ведущего ко многим ведомым в симметричной параллельной магистрали или в структуре «звезда». Вопросы реализации симметричной параллельной магистрали с использованием подсистемы SPI в ADuC70xx еще будут обсуждаться далее.
  • Бит 11. Об использовании этой возможности автор не может сказать ничего определенного.
  • Бит 12. Задает непрерывный или старт-стопный режим автоматического формирова- ния сигнала SS совместно с битом SPICON.9.

Теперь рассмотрим состав регистра состояния SPISTA, он представлен в таблице 5. Следует отметить, что в техническом описании [1] допущен в отношении этого регистра ряд досадных неточностей. Приводимая в статье информация основывается в значительной степени на результатах экспериментального тестирования реальной микросистемы.

Рассмотрим функции битов регистра состояния SPISTA более обстоятельно:

  • Бит 0. В техническом описании [1] указано, что этот бит устанавливается при записи в буфер передачи и остается установленным, пока происходит передача данных. Если под передачей понимать сдвиг регистра SPI, то это утверждение является ошибочным. Тестирование показало, что бит 0 отражает состояние буфера передачи: 0 соответствует состоянию «пуст», а 1 — состоянию «полон». При «пуске записью», если перед этим сдвиговый регистр был остановлен, записанный в буфер передачи байт немедленно копируется в сдвиговый регистр, начинается передача, а бит SPISTA.0 остается в состоянии 0 (пуст). После этого программа может немедленно записать в буфер передачи второй байт, и лишь тогда бит SPISTA.0 переходит в состояние 1 (полон).
  • Бит 1. Бит запроса прерывания от передатчика. В режиме «пуск записью» (при SPICON.6 = 1) бит 1 устанавливается, если есть место в буфере передачи (если бит SPISTA.0 = 0). В режиме «пуск чтением» (при SPICON.6 = 0) бит 1 устанавливается, если установлен бит SPISTA.2 (SPITX Data Register Underflow Status Bit).
  • Бит 2. Этот бит активен в режиме «ведущий-ПЧ» и «ведомый». Бит 2 устанавливается в 1, если перед пуском обмена (чтением буфера приема SPIRX) в буфер передачи не был помещен новый байт. Это состояние в оригинальном техническом описании названо так: SPITX Data Register Underflow. Автор затрудняется подобрать подходящий русский эквивалент. В русском переводе предварительного технического описания МК семейства ADuC70xx переводчик «сконструировал» термин «недополнение», однако этот термин представляется совершенно неудовлетворительным.
  • Бит 3. Устанавливается во всех режимах в последнем, восьмом периоде пачки тактов и сигнализирует о наличии очередного принятого байта в буфере приема SPIRX. Сбрасывается автоматически при чтении буфера приема SPIRX.
  • Бит 4. Сигнализирует о наличии непрочитанного байта в буфере приема. Данный бит вызывает запрос прерывания от подсистемы SPI, если сброшен бит SPICON.6, то есть если подсистема SPI находится в режиме «ведущий пуск чтением» либо в режиме «ведомый».
  • Бит 5. Устанавливается во всех режимах в последнем, восьмом периоде пачки тактов, если ранее принятый байт не был прочитан из буфера приема. Сигнализирует о том, что один из принятых байтов безвозвратно потерян. Бит SPICON.8 определяет, который байт — новый или старый — будет потерян при переполнении.

Отметим еще одну особенность регистра состояния SPI: его биты никак не отражают состояние сдвигового регистра. Если необходимо по какой-либо причине деактивировать интерфейс SPI сбросом бита SPICON.0, предварительно следует убедиться, что закончилась активность в сдвиговом регистре. Единственная реально существующая возможность узнать об этом — программный опрос сигнала SS, который может быть произведен чтением и анализом бита 7 регистра GP1DAT.

Функционирование в режиме «ведущий пуск записью в TX»

После включения данного режима буфер SPITX свободен, бит SPISTA.0 сброшен. Поскольку прерывание формируется по освобождению буфера SPITX, запрос прерывания появляется сразу.

После записи первого байта в буфер передачи SPITX этот байт немедленно копируется из TX в сдвиговый регистр, начинается сдвиг пакета. Буфер передачи остается свободным, запрос прерывания по-прежнему активен. Это позволяет немедленно записать второй байт в SPITX. Только после этого устанавливается бит SPISTA.0 «буфер передачи полон», а запрос прерывания снимается.

В восьмом периоде тактовой последовательности устанавливается бит SPISTA.3 «байт принят». На чтение принятого байта есть время до окончания приема следующего. Можно (следует) сначала прочитать принятый байт, а затем записать следующий для передачи. Можно и в обратном порядке, но тогда нужно убедиться, что успеем прочитать. Если не успели прочитать до окончания передачи второго пакета, происходит переполнение. Устанавливается флаг ST.5 (переполнение), и какой байт будет потерян, определяет бит CON.8.



Рис. 1. Временные диаграммы передачи двух байтов 0x36 и 0x74 при SPICON.2 = SPICON.3 = 0 в режиме «старт–стоп» (SPICON.12 = 0)

На рис. 1 показаны диаграммы сигналов на выходах SS, SCK и MOSI. Последний сигнал сформирован искусственно на выходе параллельного порта P4.2 и демонстрирует поведение флага состояния буфера передатчика SPISTA.0. Диаграмма получена при циклическом выполнении фрагмента программы со следующей структурой:

while(1) {  
  while (SPISTA&1) {GP4SET = 0x40000;}

GP4CLR = 0x40000;
SPITX=0x36;
while (SPISTA&1) {GP4SET = 0x40000;}

GP4CLR = 0x40000;
SPITX=0x74;
while (SPISTA&1) {GP4SET = 0x40000;}

GP4CLR = 0x40000;
delay(200);
// Опрос буфера
// передатчика

// Передали байт 0x36
// Опрос буфера
// передатчика

// Передали байт 0x74
// Опрос буфера
// передатчика


}   // Конец цикла while

Эксперимент был проведен при следующих установках:

  • SPICON.0 = 1— подсистема SPI включена.
  • SPICON.1 = 1— режим ведущего.
  • SPICON.2 = 0— фаза тактирования: «сначала захват, затем сдвиг».
  • SPICON.3 = 0— полярность тактирования: уровень в паузе «низкий».
  • SPICON.5 = 0— порядок передачи — старшими битами вперед.
  • SPICON.6 = 1— пуск записью в буфер передачи.
  • SPICON.9 = 0 — автоматическое формирование сигнала SS.
  • SPICON.12 = 1— старт-стопная передача.

Остальные, не указанные в перечне биты регистра SPICON были равны нулю, эти установки не существенны для режима «ведущий пуск записью», в котором производилось тестирование.

Битовая частота составляла около 600 кГц, длина битового интервала — около 1,6 мкс. Тактовая частота ядра была равна 21 МГц, среднее время выполнения команды ARM— около 100 нс.

Из приведенного тестового фрагмента программы должно быть ясно, как формировался сигнал, демонстрирующий поведение флага буфера передачи: между посылками байтов анализировалось состояние флага, если он установлен в 1, то вывод P4.2 также устанавливался в 1.

Вначале флаг SPISTA.0 сброшен, буфер SPITX свободен, в него помещается первый байт 0х36. Последующий анализ флага снова дает результат «свободен», в буфер SPITX помещается второй байт 0х74, только после этого анализ флага дает значение «занято», которое исчезает по окончании передачи первого байта. Задержки изменения состояния выхода, наблюдаемые на диаграмме, вызваны выполнением команд опроса и записи байта в буфер.

Диаграмма сигнала SS формируется автоматически, на ней видно, что между передачами байтов сигнал SS на один период тактирования возвращается в неактивное состояние. В периоды, когда сигнал SS неактивен, выход MOSI переходит в отключенное состояние, на диаграмме виден процесс перезаряда паразитной емкости линии MOSI через «подтягивающий» резистор. Переключения битов данных происходят по четным перепадам тактового сигнала.

На рис. 2 изображены диаграммы, отличающиеся от предыдущих полярностью и фазой тактовых импульсов, а также значениями передаваемых байтов (0х35 и 0х74).



Рис. 2. Диаграммы передачи двух байтов 0x35 и 0x74 при SPICON.2 = SPICON.3 = 1

Как видно на диаграммах, в данном случае тактовая последовательность начинается с запаздыванием в полпериода по отношению к сигналу SS, а переключения битов данных привязаны к нечетным перепадам тактового сигнала. Длительность передачи одного байта в этом режиме оказывается на полпериода длиннее, нежели в предыдущем. Диаграммы, так же как и предыдущие, соответствуют режиму старт-стопной передачи (SPICON.12 = 0).

Запуск чтением SPIRX

Для выбора этого режима должен быть сброшен бит SPICON.6. В этом режиме, если требуется передача в обоих направлениях, следует сначала записать передаваемый байт (один!) в буфер передачи SPITX. При этом установится флаг SPISTA.0 «буфер передачи полон».

Для запуска передачи пакета следует выполнить операцию чтения буфера приема SPIRX. В результате начинается сдвиг пакета, действия при автоматическом формировании сигнала SS будут происходить в следующем порядке:

  • Устанавливается активный (низкий) уровень сигнала SS.
  • Одновременно происходит копирование содержимого буфера SPITX в сдвиговый регистр.
  • Сбрасывается флаг SPISTA.0 «буфер передачи полон»; проверив его, можно поместить в буфер передачи очередной байт.
  • Через полпериода битовой частоты начинается формирование тактовой последовательности.
  • По началу восьмого тактового импульса устанавливается флаг SPISTA.3 «буфер приема полон». Можно считать содержимое буфера приема (что запустит передачу следующего пакета).
  • Если запуска передачи следующего пакета не было, заканчивается восьмой тактовый период, а затем устанавливается пассивный (высокий) уровень сигнала SS.

Работа интерфейса в режиме ведомого устройства

В режиме ведомого устройства функция бита SPICON.6 ограничивается, он управляет только режимом формирования запроса прерывания от подсистемы SPI.

При необходимости передачи данных из ведомого устройства в ведущее первый передаваемый байт на ведомом должен быть заблаговременно (до активизации внешнего сигнала SS) помещен в буфер передачи SPITX. При этом немедленно установится бит SPISTA.0 «буфер передачи занят» и снимается запрос прерывания (бит SPISTA.1).

Копирование байта в сдвиговый регистр с освобождением буфера передачи SPITX происходит только при активации входа SS из ведущего устройства. Об этом сигнализирует сброс бита SPISTA.0 и установка бита SPISTA.1. Последнее действие может вызвать запрос прерывания, если он разрешен.

Затем под действием последовательности тактовых импульсов, поступающих из ведущего, происходит обмен битов. На последнем, восьмом такте в сдвиговый регистр ведомого поступает восьмой бит данных, что немедленно вызывает установку бита SPISTA.3.

Сигнал запроса прерывания от подсистемы SPI в режиме ведомого формируется в зависимости от состояния бита SPICON.6 либо по опустошению буфера передачи, либо по заполнению буфера приема.

SPI и подсистема прерывания

Как уже было отмечено, подсистема SPI генерирует запрос прерывания в зависимости от значения бита SPICON.6 либо по опустошению буфера передачи (SPICON.6 = 1), либо по заполнению буфера приема (SPICON.6 = 0). Разрешить одновременную реакцию на оба эти события невозможно.

Запрос, сформированный подсистемой SPI, поступает на один из двух входов внутрикристального контроллера прерываний, один вход активен в режиме SPI-ведущего, второй — в режиме SPI-ведомого. Который из этих двух входов активен, определяется состоянием бита SPICON.1 «ведущий — ведомый». В свою очередь контроллер прерываний дает возможность программисту направить каждый из этих двух входов (или оба вместе) на один из двух типов запроса прерывания, определенных спецификацией ARM: запрос обычного прерывания IRQ или запрос быстрого прерывания FIQ [4].

Автор не может объяснить целесообразности наличия в контроллере прерывания двух различных запросов, соответствующих режимам SPI ведущего и ведомого.

О возможности организации симметричной параллельной магистрали с несколькими ведущими

Такая возможность предусмотрена во многих существующих реализациях интерфейса SPI, принципы ее организации подробно рассмотрены в [3]. В микроконтроллерах семейства ADuC70xx реализована аппаратная детекция коллизии, необходимая для организации симметричной параллельной магистрали, хотя техническое описание [1] не содержит какой-либо информации о детекторе коллизии и его свойствах.

Детектор коллизии в ADuC70xx работает следующим образом. В режиме ведущего в данном МК установка бита SPICON.9 = 1 переключает вывод SS в режим входа детекции коллизии. Если другой абонент на параллельной симметричной магистрали делает попытку перейти в режим ведущего и начать передачу (устанавливает на линии SS низкий уровень), в данном МК срабатывает детектор, то есть автоматически происходит сброс двух младших битов в регистре SPICON: включение режима «ведомый» (SPICON.1 = 0) и отключение подсистемы SPI (SPICON.1 = 0). Это позволяет избежать электрического конфликта на линиях магистрали.

Чувствительность аппаратного детектора коллизии в экспериментах автора с МК ADuC7020 была достаточно высока: срабатывание происходило даже при касании вывода SS стандартным щупом осциллографа (1 МОм, 30 пФ).

Однако реализация магистрали оказывается затруднительной из-за того, что в ADuC70xx отсутствует запрос аппаратного прерывания и флаг ошибки, сигнализирующие о возникновении коллизии. Подобная возможность имеется во многих МК (см., например, «прародителя» SPI — семейство 68HC11 [5]). По этой причине придется анализировать в ADuC70xx отсутствие коллизии программно, например, проверяя после попытки перехода в режим ведущего состояние битов SPICON.(1:2).

Еще одна причина, затрудняющая реализацию магистрали, — отсутствие в ADuC70xx возможности переключения линий интерфейса SPI в режим работы «с открытым стоком» (подобная возможность имеется в семействе 68HC11 и во многих других). Разработчику придется принимать дополнительные меры, чтобы избежать электрических коллизий на линии SCK.

В заключение автор считает необходимым еще раз отметить: стандарта на интерфейс SPI не существует, его реализации могут существенно различаться, и это затрудняет его использование в практических разработках и перенос программ с одной платформы на другую.

Литература

  1. ADuC70xx Series: Precision Analog Microcontroller, 12-Bit Analog I/O, ARM7TDMI MCU Data Sheet (Rev B, 04/2007). Техническое описание микроконтроллеров семейства ADuC70xx. www.analog.com.
  2. Новицкий А. Синхронный последовательный интерфейс SPI в микроконтроллерах «от А до Я» и его реализация в ADuC70xx фирмы Analog Devices // Компоненты и технологии. 2009. № 3.
  3. Новицкий А. Синхронный последовательный интерфейс SPI в микроконтроллерах «от А до Я» и его реализация в ADuC70xx фирмы Analog Device // Компоненты и технологии. 2009. № 5.
  4. ARM Architecture Reference Manual. 1996–2005. ARM Limited. Order No. ARM DDI 0100 I. Спецификация архитектуры ARM. www.arm.com.
  5. MC68HC911B32 Technical Data, Motorola Semiconductor, Order No. MC68HC912B32TS/D.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке