В этой статье рассматривается пример программной реализации на микроконтроллерах PIC и AVR функций ведущего шины SPI для разных режимов (mode0, mode1, mode2, mode3). Чтобы понимать что происходит — для начала, как всегда, читаем теорию (что такое SPI и как он работает). Если с теорией разобрались, тогда можно приступать к практической реализации.
Итак, что должен уметь делать SPI-мастер? Собственно говоря, всего четыре вещи:
1) читать с шины MISO нужное количество бит;
2) передавать по шине MOSI нужное количество бит;
3) формировать на шине SCLK нужное количество импульсов, соблюдая правильную полярность;
4) управлять шиной SS.
Как вы знаете (вы же с теорией знакомы?) — чтение и установку данных и «Мастер», и «Слэйв» производят по противоположным фронтам сигнала тактирования, причём для приёма и передачи может использоваться один и тот же сдвиговый регистр. Для наглядности давайте нарисуем для всех четырёх режимов диаграммы сигналов, соответствующие передаче по SPI двух бит, а уже по ним распишем действия контроллера:
Диаграммы нарисованы для случая, когда передача осуществляется младшим битом вперёд.
Биты, не выделенные жирным, — не имеют для нас значения и могут быть на следующем этапе перезаписаны (это, например, те биты, которые мы уже установили на шину данных, или, наоборот, — уже считали с шины данных).
По диаграммам видно, что в результате обмена данными сдвиговые регистры «Мастера» и «Слэйва» поменялись содержимым (помните, в теоретической части я писал, что у SPI есть такая особенность, — для приёма и передачи можно использовать один и тот же регистр).
Прежде чем переходить к написанию кода, — давайте ещё подумаем вот о чём. Архитектура контроллеров у нас 8-ми битная, а для SPI часто может потребоваться бо’льшая размерность сдвигового регистра. 
Пусть в нашем примере размер сдвигового регистра можно будет выбрать от 1-го до 32-х бит. То есть максимально под сдвиговый регистр мы будем выделять 4 байта (4 восьмибитных регистра, расположенных в памяти так, как на рисунке справа). Для случаев, когда размер регистра превышает 1 байт (то есть равен 2, 3 или 4 байта) мы будем программно имитировать работу с несколькими 8-ми битными регистрами как с одним большим. Используемые для организации сдвигового регистра восьмибитные регистры в дальнейшем будем называть просто байтами, чтобы не путаться.
Итак, что представляет собой чтение с точки зрения «Мастера»? Да ничего особенного, — нужно просто прочитать сигнал на входе (MISO) и записать его в младший или старший бит сдвигового регистра (в зависимости от того — младшим или старшим битом вперёд передаются данные и от значения CPHA). Вот так это выглядит в коде:
| Для контроллеров PIC: | Для контроллеров AVR: |
|
1) Для передачи младшим битом вперёд при CPHA=0 и старшим битом вперёд при CPHA=1 Read_MISO: bcf INDF, 0 btfsc PORT_SPI, MISO_Line bsf INDF, 0 return 2) Для передачи старшим битом вперёд при CPHA=0 и младшим битом вперёд при CPHA=1 Read_MISO: bcf INDF, 7 btfsc PORT_SPI, MISO_Line bsf INDF, 7 return Для случая 1 в регистр FSR должен быть предварительно загружен адрес младшего используемого байта нашего сдвигового регистра, а для случая 2 — адрес старшего используемого байта этого регистра. PORT_SPI — адрес порта ввода /вывода, к которому подключена линия MISO, MISO_Line — номер канала порта. |
1) Для передачи младшим битом вперёд при CPHA=0 и старшим битом вперёд при CPHA=1 Read_MISO: ld temp, X cbr temp, 0b00000001 sbic PIN_SPI, MISO_Line sbr temp, 0b00000001 st X, temp ret 2) Для передачи старшим битом вперёд при CPHA=0 и младшим битом вперёд при CPHA=1 Read_MISO: ld temp, X cbr temp, 0b10000000 sbic PIN_SPI, MISO_Line sbr temp, 0b10000000 st X, temp ret Для случая 1 в регистр X должен быть предварительно загружен адрес младшего используемого байта нашего сдвигового регистра, а для случая 2 — адрес старшего используемого байта этого регистра. PIN_SPI — адрес регистра, отображающего состояния входов порта ввода/вывода, к которому подключена линия MISO, MISO_Line — номер канала порта. |
Здесь и далее, temp — просто некий вспомогательный регистр.
Кроме того, перед началом передачи, предназначенные для передачи биты, должны быть выровнены по старшему биту старшего используемого нами для организации сдвигового регистра байта при передаче старшим битом вперёд, и по младшему биту младшего используемого байта при передаче младшим битом вперёд. Картинка внизу иллюстрирует, что имеется ввиду на примере 12-ти битного пакета SPI (то есть, когда мы реализуем 12-ти битный сдвиговый регистр; при этом из наших зарезервированных четырёх байт используются только два).
Идём дальше. «Сдвиг», как видно по диаграммам, состоит для «Мастера» (впрочем как и для «Слэйва», но мы в этой статье занимаемся только «Мастером») из двух действий: это, во-первых, собственно сдвиг регистра и, во-вторых, установка очередного бита на шину MOSI.
Начнём мы с отдельной процедуры, реализующей сам сдвиг, поскольку если наш сдвиговый регистр состоит из нескольких байт, то при сдвиге нужно определённым образом переносить биты из одного байта в другой. Кроме того, сдвиг нам нужен не простой, а циклический, то есть при сдвиге вправо младший бит нашего большого регистра должен стать старшим, а при сдвиге влево — старший бит должен стать младшим. Код, реализующий сдвиг будет выглядеть следующим образом:
| Для контроллеров PIC: | Для контроллеров AVR: |
|
1) Сдвиг вправо Shift_Right: movf Hi_byte_Address,0 movlw FSR movf Byte_Number,0 movlw Byte_Counter bcf STATUS,C Next_Shift_Right: rrf INDF,1 incf FSR decfsz Byte_Counter goto Next_Shift_Right movf Hi_byte_Address,0 movlw FSR btfsc STATUS,C bsf INDF,7 return 2) Сдвиг влево Shift_Left: movf Low_byte_Address,0 movlw FSR movf Byte_Number,0 movlw Byte_Counter bcf STATUS,C Next_Shift_Left: rlf INDF,1 decf FSR,1 decfsz Byte_Counter goto Next_Shift_Left movf Low_byte_Address,0 movlw FSR btfsc STATUS,C bsf INDF,0 return |
1) Сдвиг вправо Shift_Right: mov XL, Hi_byte_Address mov Byte_Counter, Byte_Number clc Next_Shift_Right: ld temp, X ror temp st X, temp inc XL dec Byte_Counter brne Next_Shift_Right brcc Shift_Right_Exit mov XL, Hi_byte_Address ld temp, X sbr temp, 0b10000000 st X, temp Shift_Right_Exit: ret 2) Сдвиг влево Shift_Left: mov XL, Low_byte_Address mov Byte_Counter, Byte_Number clc Next_Shift_Left: ld temp, X rol temp st X, temp dec XL dec Byte_Counter brne Next_Shift_Left brcc Shift_Left_Exit mov XL, Low_byte_Address ld temp, X sbr temp, 0b00000001 st X, temp Shift_Left_Exit: ret |
Low_byte_Address — адрес младшего байта нашего сдвигового регистра,
Hi_byte_Address — адрес его старшего байта,
Byte_Counter — счётчик обработанных байт,
Byte_Number — количество байт, используемых для организации сдвигового регистра.
Вот здесь можно посмотреть пример использования описанных функций.
Ну вот, со сдвигом регистра разобрались, теперь можно приступать и к этапу передачи, именуемому «Сдвиг». Как я ранее уже писал, — этот этап передачи состоит из двух действий: сдвиг регистра и установка очередного бита на шину MOSI. В коде это будет выглядеть так:
| Для контроллеров PIC: | Для контроллеров AVR: |
|
1) Для передачи младшим битом вперёд при CPHA=0 Shift_&_Set_MOSI: call Shift_Right movf Low_byte_Address,0 movwf FSR bcf PORT_SPI, MOSI_Line btfsc INDF, 0 bsf PORT_SPI, MOSI_Line return 2) Для передачи старшим битом вперёд при CPHA=0 Shift_&_Set_MOSI: call Shift_Left movf Hi_byte_Address,0 movwf FSR bcf PORT_SPI, MOSI_Line btfsc INDF, 7 bsf PORT_SPI, MOSI_Line return 3) Для передачи младшим битом вперёд при CPHA=1 Shift_&_Set_MOSI: movf Low_byte_Address,0 movwf FSR bcf PORT_SPI, MOSI_Line btfsc INDF, 0 bsf PORT_SPI, MOSI_Line call Shift_Right return 4) Для передачи старшим битом вперёд при CPHA=1 Shift_&_Set_MOSI: movf Hi_byte_Address,0 movwf FSR bcf PORT_SPI, MOSI_Line btfsc INDF, 7 bsf PORT_SPI, MOSI_Line call Shift_Left return |
1) Для передачи младшим битом вперёд при CPHA=0 Shift_&_Set_MOSI: rcall Shift_Right in temp1, PORT_SPI cbr temp1, (1 << MOSI_Line) mov XL, Low_byte_Address ld temp2, X sbrc temp2, 0 sbr temp1, (1 << MOSI_Line) out PORT_SPI, temp1 ret 2) Для передачи старшим битом вперёд при CPHA=0 Shift_&_Set_MOSI: rcall Shift_Left in temp1, PORT_SPI cbr temp1, (1 << MOSI_Line) mov XL, Hi_byte_Address ld temp2, X sbrc temp2, 7 sbr temp1, (1 << MOSI_Line) out PORT_SPI, temp1 ret 3) Для передачи младшим битом вперёд при CPHA=1 Shift_&_Set_MOSI: in temp1, PORT_SPI cbr temp1, (1 << MOSI_Line) mov XL, Low_byte_Address ld temp2, X sbrc temp2, 0 sbr temp1, (1 << MOSI_Line) out PORT_SPI, temp1 rcall Shift_Right ret 4) Для передачи старшим битом вперёд при CPHA=1 Shift_&_Set_MOSI: in temp1, PORT_SPI cbr temp1, (1 << MOSI_Line) mov XL, Hi_byte_Address ld temp2, X sbrc temp2, 7 sbr temp1, (1 << MOSI_Line) out PORT_SPI, temp1 rcall Shift_Left ret |
Хотелось бы обратить внимание вот на что: поскольку при CPHA=0 по первому фронту на шине тактирования происходит чтение, то первый передаваемый бит в этот момент уже должен быть установлен на шине. Лучше устанавливать его сразу при загрузке передаваемых данных в регистр или это можно делать, например, по сигналу SS, в любом случае — он должен быть установлен ещё до начала тактирования. Для CPHA=1 никакие вспомогательные действия до начала тактирования не нужны.
И ещё одно. После обмена пакетами с помощью приведённых выше процедур изменится граница выравнивания данных. То есть, если посылаемые данные были выровнены к младшему биту младшего байта, то принятые будут выровнены к старшему биту старшего байта, а если посылаемые данные были выровнены к старшему биту старшего байта, то принятые будут выровнены к младшему биту младшего байта.
Далее давайте подумаем как управлять линией SCLK и какие при этом надо решить задачи.
Во-первых, перед началом передачи (а точнее как только сконфигурировали SPI), нужно установить на линии SCLK уровень, соответствующий выбранной полярности (CPOL).
Во-вторых, нужно как-то определять моменты переключения линии SCKL. Очевидно, что частота этих переключений определяет скорость передачи.
Надо сказать, что вообще-то интерфейс SPI не предъявляет каких-либо требований к стабильности частоты импульсов на SCLK, поэтому переключения можно формировать когда угодно, например, как выполнили все действия по установке, чтению и сдвигу данных — так и переключайте себе SCLK. Понижать скорость можно добавлением пустых циклов перед каждым переключением. Это первый метод для управления шиной SCLK.
Второй метод заключается в том, чтобы использовать для отсчёта моментов переключения таймеры. Тут вообще красота, — очень легко можно сделать переключения со стабильной частотой, которая полностью будет определяться параметрами таймера. Алгоритм примерно такой: как только выполнили все подготовительные действия — запускаете таймер, а далее по прерыванию от таймера инвертируете линию SCLK, сбрасываете и перезапускаете таймер.
Чтобы знать когда остановиться (когда передали все биты) — специальным счётчиком нужно отсчитывать количество переданных бит или количество переключений линии SCLK. Естественно лучше считать количество бит, поскольку переключений линии SCLK будет в два раза больше.
Код никакой писать не буду, — тут всё просто (если что — на форум).
Ну и последнее, что нам осталось — управлять линией SS. Естественно, что моменты, когда нужно начинать и заканчивать сеанс — это полностью ваше личное дело, специфичное для каждой конкретной задачи, так что вам и флаг в руки. Скажу только, что обычно с точки зрения мастера есть два варианта управления этой линией: 1) решение о переключении линии SS принимается независимо ни от чего (ручное управление) 2) Линия SS переключается в низкий уровень автоматически при загрузке новых данных в сдвиговый регистр, а назад в высокий — также автоматически после передачи всех бит пакета (автоматическое управление).
И ещё одно. Все приведённые выше коды предполагают, что используются пушпульные выходы. Если выходы предполагается сделать с открытым стоком, то нужно записать в соответствующие защёлки нули, и работать не с регистром порта, а с регистром выбора направления работы порта (тогда сигналы, формируемые контроллером на соответствующих выводах будут меняться не между нулём и единицей, а между нулём и Z-состоянием).
Источник: http://radiohlam.ru
