Управление spi. Описание интерфейса SPI
SPI (Serial Peripheral Interface, последовательный периферийный интерфейс, шина SPI ) - Это интерфейс для передачи данных на короткое расстояние, разработанный Motorola. Данные передаются в режиме полного дуплекса (в обе стороны) используя архитектуру ведущий - ведомый (master-slave). SPI также иногда называют четырёхпроводным (four-wire) интерфейсом.
| Рис.1 стандартное общение по SPI |
В шине SPI используются 4 цифровых сигнала:
- MOSI : (Master Out Slave In) выход ведущего, вход ведомого.
- MISO : (Master In Slave Out) вход ведущего, выход ведомого.
- SCLK : (Serial Clock) тактовый сигнал.
- CS или SS : (Chip Select, Slave Select) выбор микросхемы, выбор ведомого.
Возможны другие имена:
- MOSI : SIMO, SDO, DO, DOUT, SI, MTSR;
- MISO : SOMI, SDI, DI, DIN, SO, MRST;
- SCLK : SCK, CLK;
- SS : nCS, CS, CSB, CSN, nSS, STE, SYNC.
Если использовать несколько ведомых устройств, то нужно повесить подтягивающие резисторы на каждый из выводов SS и убедиться что выходы MISO каждого из устройств подключены через буфер с высокоимпедансным состоянием (практически вывод считается отключённым), это может быть реализовано внутри микросхемы, нужно изучать документацию на конкретное устройство.
Если внутри устройств не предусмотрен буфер, то линия MISO будет всегда в состоянии лог.0 или лог.1. (также она может сгореть). Чтобы проверить есть ли внутри нашего устройства буфер, можно прочитать документацию или подключить делитель напряжения, чтобы на линии MISO была половина напряжения питания, затем замерить настоящее напряжение. Если замеренное нами значение отличается (будет 0 В или напряжение питания), то буфера нет и его нужно поставить отдельной микросхемой.
 |
| Рис.3 Проверка присутствия внутреннего буфера |
Передача данных
Ведущий и ведомый передают друг другу данные одновременно. Сперва нужно выбрать ведомое устройство выставив на его входе SS низкий логический уровень (может меняться в зависимости от производителя). Данные для передачи помещаются в сдвиговые регистры. Затем ведущий генерирует синхросигналы частотой около нескольких МГц, ведущий и ведомый начинают посылать друг другу информацию хранимую в сдвиговых регистрах бит за битом начиная со старшего разряда.
 |
| Рис.4 Передача данных по SPI |
Если нужно передать больше данных, то в регистры записывается новая информация и процесс начинается заново, если передача данных закончилась, ведущий обычно отключает ведомое устройство.
Для настройки интерфейса используются несколько регистров, Можно регулировать частоту, прерывания, порядок бит и многое другое, подробнее об этом можно узнать в документации от Motorola ee.nmt.edu , этот документ взят как стандарт для SPI . Но производители могут не использовать всех настроек описанных там, также биты могут быть расставлены в другой последовательности в отличии от описания Motorola. В любом случае нужно читать документацию на конкретное устройство.
Если про настройку частоты передачи и выбор ведущего/ведомого понятно, то про настройку фазы и полярности тактового сигнала можно расписать подробней.
В принципе, эти настройки можно понять из временной диаграммы:
- CPOL = 0: сигнал синхронизации начинается с низкого уровня;
- CPOL = 1: сигнал синхронизации начинается с высокого уровня;
- CPHA = 0: данные записываются по переднему фронту сигнала синхронизации;
- CPHA = 1: данные записываются по заднему фронту сигнала синхронизации.
В зависимости от состояния битов CPHA и CPOL , различают 4 режима работы SPI интерфейса (0, 1, 2 или 3). Но в зависимости от производителя они часто соответствуют разным состояниям битов, к примеру, у ARM и PIC32MX контроллеров ни 1 из режимов не совпадает.
Есть 2 популярных способа включения нескольких SPI, первый из них подключение "звезда" (daisy chain):
В этом случае ведущий выбирает, кому из ведомых устройств следует передать данные.
Может быть такое что ведомые устройства не совместимы друг с другом и им нужны разные настройки, к примеру различная длина пакета, в таком случае используют соединение типа "кольцо":
В данном случае все устройства включаются одновременно и данные передаются последовательно, для того чтобы передать информацию какому либо устройству, либо от него ведущему, необходимо пройти несколько циклов передачи.
Заключение
SPI интерфейс заслужил свою популярность благодаря простоте и дешевизне. Сейчас его можно встретить в огромном количестве устройств, С его помощью программируются МК, JTAG также реализован на основе SPI. он часто используется для общения с различными микросхемами: Flash память, EEPROM, LCD, SD карты, АЦП, ЦАП микросхемы и многое другое.
Хоть стандарт и описан Моторолой, нет чётких определений и границ для SPI , из-за чего можно встретить различные реализации этого интерфейса, может использоваться другое количество сигнальных линий, количество бит в пакете и другие способы настройки. Так что сперва нужно читать документацию на устройство с которым вы работаете.
Есть готовые реализации SPI "трансиверов" которые можно подключить к компьютеру, что может быть полезно для отладки различных проектов, также новые осциллографы и логические анализаторы могут расшифровывать SPI пакеты.
Преимущества
- Полнодуплексная передача данных.
- Более высокая пропускная способность по сравнению с I²C или SMBus.
- Возможность произвольного выбора длины пакета.
- более низкие требования к энергопотреблению по сравнению с I²C и SMBus;
- возможно использование в системах с низко стабильной тактовой частотой;
- ведомым устройствам не нужен уникальный адрес, в отличие от таких интерфейсов, как I²C, GPIB или SCSI.
- Используется только четыре вывода, что гораздо меньше, чем для параллельных интерфейсов.
- Однонаправленный характер сигналов позволяет при необходимости легко организовать гальваническую развязку между ведущим и ведомыми устройствами.
- Максимальная тактовая частота ограничена только быстродействием устройств, участвующих в обмене данными.
Недостатки
- Необходимо больше выводов, чем для интерфейса I²C.
- Ведомое устройство не может управлять потоком данных.
- Нет подтверждения приема данных со стороны ведомого устройства (ведущее устройство может передавать данные «в никуда»).
- Нет определенного стандартом протокола обнаружения ошибок.
- Отсутствие официального стандарта, что делает невозможным сертификацию устройств.
- По дальности передачи данных интерфейс SPI уступает таким стандартам, как UART и CAN.
- Наличие множества вариантов реализации интерфейса.
- Отсутствие поддержки горячего подключения устройств.
Источники:
Документация от Motorola
Теперь вы имеете общее представление о последовательном периферийном интерфейсе и можно перейти к рассмотрению SPI модуля.
SPI модуль микроконтроллера AVR atmega16 использует для своей работы 4 вывода - MOSI, MISO, SCK и SS. Когда модуль не задействован, эти выводы являются линиями портов ввода/вывода общего назначения. Когда модуль включен, режим работы этих выводов переопределяются согласно следующей таблице.
Если к микроконтроллеру подключено больше одного периферийного устройства, в качестве дополнительных выводов выбора (SS), можно использовать любые выводы общего назначения. При этом штатный вывод SS должен быть всегда правильно сконфигурирован, даже если он не используется.
Регистры SPI модуля
В микроконтроллере atmega16 для работы с модулем SPI используются три регистра:
Управляющий регистр SPCR,
- статусный регистр SPSR,
- регистр данных SPDR.
Все три регистра восьмиразрядные.
Кофигурация модуля SPI устанавливается с помощью регистра SPCR (SPI Control Register).
SPIE – разрешает /запрещает прерывания от модуля SPI. Если бит установлен в 1, прерывания от SPI разрешены.
SPE – включает/выключает модуль SPI. Если бит установлен в 1, модуль SPI включен.
DORD – определяет порядок передачи данных. Когда бит установлен в 1, содержимое регистра данных передается младшим битом вперед. Когда бит сброшен, то старшим битом вперед.
MSTR – определяет режим работы микроконтроллера. Если бит установлен в 1, микроконтроллер работает в режиме Master (ведущий). Если бит сброшен – в режиме Slave (ведомый). Обычно микроконтроллер работает в режиме master.
CPOL и CPHA – определяют в каком режиме работает SPI модуль. Требуемый режим работы зависит от используемого периферийного устройства.
SPR1
и SPR0
– определяют частоту тактового сигнала SPI модуля, то есть скорость обмена. Максимально возможная скорость обмена всегда указывается в спецификации периферийного устройства.
Статусный регистр SPSR (SPI Status Register) предназначен для контроля состояния SPI модуля
, кроме того он содержит дополнительный бит управления скоростью обмена.
SPIF
– флаг прерывания от SPI. Он устанавливается в 1 по окончании передачи байта данных. Если разрешены прерывания модуля, одновременно с установкой этого флага генерируется прерывание от SPI. Также этот флаг устанавливается в 1 при переводе микроконтроллера из режима master в режим slave с помощью вывода SS.
Сброс флага происходит аппаратно, при вызове подпрограммы обработки прерывания или после чтения регистра SPSR с последующим обращением к регистру данных SPDR.
WCOL - флаг конфликта записи. Флаг устанавливается в 1, если во время передачи данных выполняется попытка записи в регистр данных SPDR. Флаг сбрасывается аппаратно после чтения регистра SPSR с последующим обращением к регистру данных SPDR.
SPI2X - бит удвоения скорости обмена. Установка этого разряда в 1 удваивает частоту тактового сигнала SCK. Микроконтроллер при этом должен работать в режиме master.
Взаимосвязь между битами SPR0, SPR1, SPI2X и частотой тактового сигнала SCK показана в таблице.
Где Fosc - тактовая частота микроконтроллера AVR.
Для передачи и приема данных предназначен регистр SPDR (SPI Data Register)
. Запись данных в этот регистр инициирует передачу данных SPI модулем. При чтении этого регистра, считывается содержимое буфера сдвигового регистра SPI модуля.
Программный код
Минимальный программный код для работы с SPI модулем состоит из двух функций:
Функции инициализации.
- функции передачи/приема байта данных
Инициализация SPI модуля
Инициализация включает в себя конфигурирование выводов SPI модуля и управляющего регистра SPCR.
#define SPI_PORTX PORTB
#define SPI_DDRX DDRB
#define SPI_MISO 6
#define SPI_MOSI 5
#define SPI_SCK 7
#define SPI_SS 4
/*инициализация SPI модуля в режиме master*/
void SPI_Init(void)
{
/*настройка портов ввода-вывода /*разрешение spi,старший бит вперед,мастер, режим 0*/ Передача/прием данных 1. установка низкого логического уровня на линии SS Ниже приведено несколько вариантов функции передачи/приема данных. Передача одного байта данных по SPI Передача и прием одного байта данных по SPI Передача нескольких байтов данных по SPI //Пример использования: … Передачи и прием нескольких байтов данных по SPI Простой SPI драйвер, в котором сведены все описанные выше функции - Инструкция SPI - Serial Peripheral Interface
или "Последовательный периферийный интерфейс"
- это синхронный протокол передачи для сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами (Slave). Ведущим устройством часто является . Связь между устройствами осуществляется по четырём проводам, поэтому SPI иногда называют "четырёхпроводной интерфейс". Вот эти шины: В Arduino шины интерфейса SPI находятся на определённых портах. У каждой платы своё соответствие выводов. Для удобства выводы продублированы и вынесены также на отдельный разъём ICSP (In Circuit Serial Programming, устройства, включённого в цепь, по последовательному протоколу). Обратите внимание, что на разъёме ICSP отсутствует пин выбора ведомого - SS, т.к. подразумевается, что Arduino будет использоваться как ведущее устройство в сети. Но при необходимости вы можете назначить любой вывод Ардуино в качестве SS. Для Arduino написана специальная , которая реализует протокол SPI. Подключается она так: в начале программы добавляем #include SPI.h
Рассмотрим практическое применение интерфейса SPI. Будем зажигать светодиоды, управляя 8-битным сдвиговым регистром по шине SPI. Подключим к Arduino регистр 74HC595. К каждому из 8-ми выходов подключим по светодиоду (через ограничительный резистор). Схема приводится на рисунке. Напишем такой скетч. SPI представляет собой четырехпроводную синхронную шину, предназначенную для последовательного обмена данными между микросхемами. Интерфейс был разработан компанией Motorola, но в настоящий момент используется всеми производителями. Данный интерфейс отличают простота использования и реализации, высокая скорость обмена и малая дальность действия. Сигналы, используемые данным интерфейсом, имеют следующее назначение: MOSI
- Master Output / Slave Input. Выход ведущего / вход ведомого. Служит для передачи данных от ведущего устройства к ведомому. Производители микросхем часто используют другие названия для этих сигналов. Альтернативные варианты могут быть такими: MOSI
– DO, SDO, DOUT. Типовая схема соединения двух устройств по SPI выглядит так. Также возможно подключение к ведущему устройству несколько ведомых устройств. Однако в любой момент времени обмен может происходить только с одним из них, остальные должны находиться в неактивном состоянии. Исключение составляет каскадная схема соединения по SPI. При таком подключении сдвиговые регистры устройств образуют один большой регистр, и количество линий SPI остается равным 4-ем. Правда, такое подключение поддерживают далеко не все микросхемы. Также возможен сокращенный вариант схемы подключения, когда линия MOSI или MISO не используется. То есть передача данных осуществляется только в одну сторону. Такие схема, например, используются при подключении к микроконтроллеру внешних микросхем ЦАП и АЦП. Протокол обмена по SPI аналогичен логике работы сдвигового регистра и заключается в последовательном побитном выводе/вводе данных по определенным фронтам тактового сигнала. Установка данных и выборка осуществляется по противоположным фронтам тактового сигнала. CPOL
– clock polarity. Полярность тактового сигнала - определяет исходный уровень сигнала синхронизации Рисунки ниже иллюстрируют все четыре режима обмена SPI. SPI mode 0: CPOL = 0, CPHA=0.
Тактовый сигнал начинается с уровня логического нуля. Защелкивание данных выполняется по нарастающему фронту. Смена данных происходит по падающему фронту. Моменты защелкивание данных показаны на рисунках стрелочками SPI mode 1: CPOL = 0, CPHA=1.
Тактовый сигнал начинается с уровня логического нуля. Смена данных происходит по нарастающему фронту. Защелкивание данных выполняется по падающему фронту. SPI mode 2: CPOL = 1, CPHA=0.
Тактовый сигнал начинается с уровня логической единицы. Защелкивание данных выполняется по падающему фронту. Смена данных выполняется по нарастающему фронту тактового сигнала. SPI mode 3: CPOL = 1, CPHA=1.
Тактовый сигнал начинается с уровня логической единицы. Смена данных выполняется по падающему фронту тактового сигнала. Защелкивание данных выполняется по нарастающему фронту. Современные микроконтроллеры поддерживают все четыре режима работы SPI. SPI - Serial Peripheral Interface - последовательный периферийный интерфейс SPI - последовательный синхронный стандарт передачи данных между микросхемами в режиме полного дуплекса. Изначально данный интерфейс был разработан компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии, а в настоящее время используется в продукции многих производителей. Интерфейс SPI, наряду с I2C, относится к самым широкоиспользуемым интерфейсам для соединения микросхем. Его наименование является аббревиатурой от “Serial Peripheral Interface” (англ. , SPI bus - шина SPI), что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу "ведущийподчиненный". В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSPконтроллер или специализированная ИС. Подключенные к ведущему шины внешние устройства образуют подчиненных шины. В их роли выступают различного рода микросхемы, в т.ч. запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, цифровые потенциометры, специализированные контроллеры и др. Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. 1.
Электрическое подключение
В
отличие от стандартного последовательного порта (англ.
standard serial port
), SPI является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая периферия (ведомая) синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (англ.chip select
) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участие в
передаче по SPI.
В SPI используются четыре цифровых сигнала: MOSI (англ. Master Out Slave In
)- выход ведущего устройства (альтернативное обозначение DO, SDO, DOUT) , вход ведомого устройства последовательного приема данных (альтернативное обозначение DI, SDI, DIN). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому. MISO (англ. Master In Slave Out
) - вход ведущего устройства последовательного приема данных (альтернативное обозначение DI, SDI, DIN), выход ведомого устройства последовательной передачи данных (альтернативное обозначение DO, SDO, DOUT). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему. SCLK (англ. Serial Clock
) - последовательный тактовый сигнал (альтернативное обозначение DCLOCK, CLK, SCK). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств. CS или SS - выбор микросхемы, выбор ведомого устройства (англ.
Chip Select, Slave Select).
Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала. Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 1. Рис. 1. Простейшее подключение к шине SPI Здесь, ведущий шины передает данные по линии MOSI синхронно со сгенерированным им же сигналом SCLK, а подчиненный захватывает переданные биты данных по определенным фронтам принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный отправляет свою посылку данных. Представленную схему можно упростить исключением линии MISO, если используемая подчиненная ИС не предусматривает ответную передачу данных или в ней нет потребности. Одностороннюю передачу данных можно встретить у таких микросхем как ЦАП, цифровые потенциометры, программируемые усилители и драйверы. Таким образом, рассматриваемый вариант подключения подчиненной ИС требует 3 или 4 линии связи. Чтобы подчиненная ИС принимала и передавала данные, помимо наличия сигнала синхронизации, необходимо также, чтобы линия SS была переведена в низкое состояние. В противном случае, подчиненная ИС будет неактивна. Когда используется только одна внешняя ИС, может возникнуть соблазн исключения и линии SS за счет жесткой установки низкого уровня на входе выбора подчиненной микросхемы. Такое решение крайне нежелательно и может привести к сбоям или вообще невозможности передачи данных, т.к. вход выбора микросхемы служит для перевода ИС в её исходное состояние и иногда инициирует вывод первого бита данных. При необходимости подключения к шине SPI нескольких микросхем используется либо независимое (параллельное) подключение (рис. 2), либо каскадное (последовательное) (рис. 3). Рис. 2. Независимое подключение к шине SPI Рис. 3. Каскадное подключение к шине SPI Независимое подключение более распространенное, т.к. достигается при использовании любых SPI-совместимых микросхем. Здесь, все сигналы, кроме выбора микросхем, соединены параллельно, а ведущий шины, переводом того или иного сигнала SS в низкое состояние, задает, с какой подчиненной ИС он будет обмениваться данными. Главным недостатком такого подключения является необходимость в дополнительных линиях для адресации подчиненных микросхем (общее число линий связи равно 3+n, где n-количество подчиненных микросхем). Каскадное включение избавлено от этого недостатка, т.к. здесь из нескольких микросхем образуется один большой сдвиговый регистр. Для этого выход передачи данных одной ИС соединяется со входом приема данных другой, как показано на рисунке 3. Входы выбора микросхем здесь соединены параллельно и, таким образом, общее число линий связи сохранено равным 4. Однако использование каскадного подключения возможно только в том случае, если его поддержка указана в документации на используемые микросхемы. Чтобы выяснить это, важно знать, что такое подключение по-английски называется "daisy-chaining". 2. Протокол передачи Протокол передачи по интерфейсу SPI предельно прост и, по сути, идентичен логике работы сдвигового регистра, которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надежного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами: CPOL - исходный уровень сигнала синхронизации (если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний - падающий), иначе, если CPOL=1, - высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний - нарастающий)); CPHA - фаза синхронизации; от этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных (если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, - установка данных; если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка - по заднему). Ведущая и подчиненная микросхемы, работающие в различных режимах SPI, являются несовместимыми, поэтому, перед выбором подчиненных микросхем важно уточнить, какие режимы поддерживаются ведущим шины. Аппаратные модули SPI, интегрированные в микроконтроллеры, в большинстве случаев поддерживают возможность выбора любого режима SPI и, поэтому, к ним возможно подключение любых подчиненных SPI-микросхем (относится только к независимому варианту подключения). Кроме того, протокол SPI в любом из режимов легко реализуется программно. Табл. 1. Режимы SPI Временная диаграмма синхрониза 3. Cравнение с шиной I2
C Как уже упоминалось, для стыковки микросхем не меньшей популярностью пользуется 2-проводная последовательная шина I2
C. Ниже можно ознакомиться с преимуществами, которая дает та или иная последовательная шина. Преимущества шины SPI Преимущества шины I2C Предельная простота протокола передачи на физическом уровне обуславливает высокую надежность и быстродействие передачи. Предельное быстродействие шины SPI измеряется Шина I2
C остается двухпроводной, десятками мегагерц и, поэтому, она независимо от количества идеальна для потоковой передачи подключенной к ней микросхем. больших объемов данных и широко используется в высокоскоростных ЦАП/АЦП, драйверах светодиодных дисплеев и микросхемах памяти Все линии шины SPI являются однонаправленными, что существенно Возможность мультимастерной упрощает решение задачи работы, когда к шине подключено преобразования уровней и несколько ведущих микросхем. гальванической изоляции микросхем Протокол I2C является более стандартизованным, поэтому, Простота программной реализации пользователь I2C-микросхем более протокола SPI. защищен от проблем несовместимости выбранных компонентов. 4.
Производные и совместимые протоколы
MICROWIRE.
Протокол MICROWIRE компании National Semiconductor полностью идентичен протоколу SPI в режиме 0 (CPOL = 0, CPHA = 0). 3-проводной
интерфейс компании Maxim Отличие этого интерфейса состоит в том, что вместо полнодуплексной передачи по двум однонаправленным линиям здесь выполняется полудуплексная передача по одной двунаправленной линии DQ. QSPI
Более высокоуровневый протокол, чем SPI, позволяющий автоматизировать передачу данных без участия ЦПУ. Кроме того, интерфейс SPI является основой для построения ряда специализированных интерфейсов, в т.ч. отладочный интерфейс JTAG и интерфейсы карт Flash-памяти, в т.ч. SD и MMC.
все выводы, кроме MISO выходы*/
SPI_DDRX |= (1<
SPCR = (1<
Процесс передачи/приема данных с помощью SPI модуля, работающего в режиме Master, состоит из следующей последовательности действий:
2. загрузка данных в регистр SPDR
3. ожидание окончания передачи (проверка флага SPIF)
4. сохранение принятых данных (чтение SPDR), если требуется
5. возврат на 2-ой шаг, если переданы не все данные
6. установка высокого логического уровня на линии SS
void SPI_WriteByte(uint8_t data)
{
SPI_PORTX &= ~(1<
while(!(SPSR & (1<
uint8_t SPI_ReadByte(uint8_t data)
{
uint8_t report;
SPI_PORTX &= ~(1<
while(!(SPSR & (1<
SPI_PORTX |= (1<
}
*data – указатель на массив передаваемых данных, а num – размерность массива
void SPI_WriteArray(uint8_t num, uint8_t *data)
{
SPI_PORTX &= ~(1<
SPDR = *data++;
while(!(SPSR & (1<
SPI_PORTX |= (1<
uint8_t buf = {12, 43, 98};
SPI_WriteArray(3, buf);
*data – указатель на массив передаваемых данных, а num – размерность массива.
Принятые данные будут сохраняться в том же массиве.
void SPI_ReadArray(uint8_t num, uint8_t *data)
{
SPI_PORTX &= ~(1<
SPDR = *data;
while(!(SPSR & (1<
}
SPI_PORTX |= (1<Файлы
MOSI (Master Out Slave In)
- линия передачи данных от ведущего к ведомым устройствам;
MISO (Master In Slave Out)
- линия передачи от ведомого к ведущему устройству;
SCLK (Serial Clock)
- тактовые импульсы синхронизации, генерируемые ведущим устройством;
SS (Slave Select)
- линия выбора ведомого устройства; когда на линии "0", ведомое устройство "понимает", что сейчас обращаются к нему.
Существует четыре режима передачи данных (SPI_MODE0, SPI_MODE1, SPI_MODE2, SPI_MODE3), обусловленные сочетанием полярности тактовых импульсов (работаем по уровню HIGH или LOW), Clock Polarity, CPOL
, и фазой тактовых импульсов (синхронизация по переднему или заднему фронту тактового импульса), Clock Phase, CPHA
.
На рисунке показаны два варианта подключения устройств по протоколу SPI: независимое и каскадное. При независимом подключении к шине SPI ведущее устройство обращается к каждому ведомому устройству индивидуально. При каскадном - устройства срабатывают поочерёдно, каскадом.
На рисунке приведено стандартное соответствие выводов шинам SPI для Arduino UNO и Nano.
Чтобы начать работу по протоколу SPI, нужно задать настройки и затем инициализировать протокол с помощью процедуры SPI.beginTransaction(). Можно выполнить это одной инструкцией: SPI.beginTransaction(SPISettings(14000000, MSBFIRST, SPI_MODE0))
.
Это значит, что мы инициализируем протокол SPI на частоте 14 МГц, передача данных идёт, начиная с MSB (наиболее значимого бита), в режиме "0".
После инициализации выбираем ведомое устройство, переводя соответствующий пин SS в состояние LOW.
Затем передаём ведомому устройству данные командой SPI.transfer().
После передачи возвращаем SS в состояние HIGH.
Работа с протоколом завершается командой SPI.endTransaction(). Желательно минимизировать время выполнения передачи между инструкциями SPI.beginTransaction() и SPI.endTransaction(), чтобы не возникло накладок, если другое устройство попробует инициализировать передачу данных, используя другие настройки.
Сначала подключим библиотеку SPI и инициализируем интерфейс SPI. Определим пин 8 как пин выбора ведомого устройства. Очистим сдвиговый регистр, послав в него значение "0". Инициализируем последовательный порт.
Чтобы зажечь определённый светодиод с помощью сдвигового регистра, нужно подать на его вход 8-разрядное число. Например, чтобы загорелся первый светодиод - подаём двоичное число 00000001, чтобы второй - 00000010, чтобы третий - 00000100, и т.д. Эти двоичные числа в переводе в десятичную систему счисления образуют такую последовательность: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и являются степенями от 0 до 7.
Соответственно, в цикле loop() по количеству светодиодов делаем пересчёт от 0 до 7. Функция pow(основание, степень)
возводит 2 в степень счётчика цикла. Микроконтроллеры не очень точно работают с числами типа "double", поэтому для преобразования результата в целое число используем функцию округления round(). И передаём получившееся число в сдвиговый регистр. Для наглядности в мониторе последовательного порта выводятся значения, которые получаются при этой операции: единичка бежит по разрядам - светодиоды загораются волной.
Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе модули, реализующие стандартные интерфейсы. Эти модули используются для обмена данными с различными периферийными устройствами, например, цифровыми датчиками, микросхемами памяти, ЦАП, АЦП, другими микроконтроллерами и так далее. В этой статье, на примере микроконтроллера atmega16, мы разберемся, как работать с модулем последовательного периферийного интерфейса или модулем SPI (serial peripheral interface).
Введение
При любом обмене данными по SPI одно из устройств является ведущим (Master"ом), а другое ведомым (Slave"ом). Обычно (но не всегда) в роли ведущего выступает микроконтроллер. Ведущий переводит периферийное устройство в активное состояние и формирует тактовый сигнал и данные. В ответ ведомое устройство передает ведущему свои данные. Передача данных в обе стороны происходит синхронно с тактовым сигналом.
Физически SPI реализуется на основе сдвигового регистра, который выполняет и функцию передатчика, и функцию приемника.
Принцип обмена данными по SPI проиллюстрирован на следующих картинках.
MISO
– Master Input / Slave Output. Вход ведущего / выход ведомого. Служит для передачи данных от ведомого устройства к ведущему.
SLK
- Serial Clock. Сигнал синхронизации. Служит для передачи тактового сигнала всем ведомым устройствам.
SS
- Slave Select. Выбор ведомого. Служит для выбора ведомого устройства.
MISO
– DI, SDI, DIN.
SCK
– CLK, SCLK.
SS
– CS, SYNC.Схемы соединений по SPI
Протокол обмена по SPI
Спецификация SPI предусматривает 4 режима передачи данных, которые отличаются между собой соотношением фазы и полярности тактового сигнала и передаваемых данных.
Эти режимы описываются двумя параметрами:
CPHA
– clock phase. Фаза тактового сигнала - определяет последовательность установки и выборки данных. 
Стоит отметить, что передача данных по SPI может происходить не только старшим битом вперед, но и младшим. А количество байт передаваемых за время удержания сигнала выбора (SS) ничем не ограничено и определяется спецификацией используемого ведомого устройства. Также в спецификации на ведомое устройство указываются поддерживаемые режимы работы SPI, максимальная частота тактового сигнала, содержимое передаваемых или принимаемых данных.
