Работает spi. Последовательный интерфейс SPI. Краткие выводы о SPI
Синхронный последовательный интерфейс SPI предназначен для ввода- вывода данных в интерфейсах "точка-точка" с одним ведущим (SPI-master) и одним ведомым (SPI-slave) устройством (рис. 1.24). Схема управления SPI- master формирует тактовые импульсы SCK, по которым одновременно производится передача сигналов на выходе MOSI и прием сигналов на входе MISO. Эти же тактовые импульсы SCK, поступая в SPI-slave, управляют приемом сигналов на его входе MOSI и формированием сигналов на его выходе MISO. Раздельные сигнальные цепи MOSI и MISO позволяют легко реализовать полнодуплексный режим обмена данными.
Форматы данных, параметры сигналов, временные характеристики и т.п. в интерфейсе не регламентируются, например, скорость обмена данными определяется только частотой тактовых импульсов SCK, формируемых SPI- master. Максимальное расстояние зависит от уровня искажения сигналов в линиях связи, предполагается, что надежный обмен данными возможен при расстояниях до нескольких метров.
По-существу, полноценным интерфейсом даже для физического уровня не является. Фактически, SPI реализует стандартную процедуру ввода-вывода данных в регистрах сдвига, никаких алгоритмов контроля работы, контроля передаваемых данных не предусмотрено. Все необходимые процедуры контроля должен выполнять SPI-master. Это, с одной стороны, требует применения дополнительных средств контроля, а с другой стороны, максимально упрощает средства реализации самого интерфейса SPI. SPI- slave – это стандартный регистр сдвига с требуемым числом разрядов данных.
Например, микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL поддерживают ввод-вывод данных в режиме и SPI-master, и SPI-slave. Стандартный цикл обмена предполагает одновременную передачу в обоих направлениях по одному байту данных (рис. 1.24). При передаче многобайтовых сообщений SPI-slave должен содержать регистр сдвига соответствующей разрядности, а SPI-master должен производить управление обменом требуемой последовательности байтов данных, обрабатывая каждый байт после очередного стандартного цикла работы интерфейса и обеспечивая запуск следующего стандартного цикла обмена.
применяется не только для обмена данными между микроконтроллерами, но и для сопряжения микроконтроллеров с внешними АЦП (ADC) и ЦАП (DAC), микросхемами памяти – SRAM, FRAM, SEERAM и многими другими устройствами. Благодаря последовательному формату данных и простой логической организации интерфейса SPI эти микросхемы производятся в компактных 8 – 16 выводных корпусах. В табл. 1.6 приведены примеры микросхем различного функционального назначения и разных производителей с интерфейсом SPI. Эти примеры показывают, что последовательный формат интерфейса позволяет существенно сократить требуемое число линий ввода-вывода.
Таблица 1.6
|
Тип микросхемы |
Основные параметры |
Тип корпуса |
Производитель |
|
24-Bit, Delta-Sigma, 15 Гц |
|||
|
24-Bit, Delta-Sigma, 41 кГц |
|||
|
16-Bit, SAR, 100 кГц |
|||
|
16-Bit, PulSAR, 500 кГц |
|||
|
12-Bit, U-out, 2.5 мкс |
|||
|
16-Bit, U-out, 10 мкс |
|||
|
14-Bit, I-out, 0.04 мкс |
|||
|
12-Bit, I-out, 0.6 мкс |
|||
|
16-Bit, U-out, 1 мкс |
www.maxim- ic.com |
||
|
Тип микросхемы |
Основные параметры |
Тип корпуса |
Производитель |
|
16 кБит, 1 трлн |
|||
|
4 кБит, неогр. |
|||
|
64 кБит, неогр. |
|||
|
256K, 32768×8, 0.1млн Cycles |
|||
|
8К, 1024×8, 0.1млн Cycles |
|||
|
16K, 8192×8, 0.1млн Cycles |
|||
|
128K, 16384×8, 0.1млн Cycles |
|||
|
256K, 32768×8, 0.1млн Cycles |
|||
|
Termosensor |
|||
|
13-bit, -40 to +150 C o (±0.5C o) |
|||
Одна из проблем, которую часто приходится решать в средствах автоматизации, связана с ограниченным числом линий ввода-вывода микроконтроллеров. Обычно количество передаваемых сигналов существенно превышает возможности параллельных портов, но алгоритмы обработки большинства передаваемых сигналов допускают дополнительные временные задержки, связанные с их передачей в последовательном формате. В этих случаях эффективно применение стандартных последовательно-параллельных регистров.
Например, интерфейс SPI может оказаться полезным для считывания информации о состоянии большого числа двухпозиционных датчиков или для ввода многобитовых данных, поступающих в параллельном формате. Для этих целей удобно использовать отдельные регистры с параллельной записью и последовательным считыванием (8-Bit Parallel-In/Serial-Out Shift Register), например CD74HCT166 (рис. 1.25).
Схема подключения шестнадцати двухпозиционных датчиков (S1 – S16) через SPI-интерфейс микроконтроллера показана на рис. 1.26. Следует отметить, что перед стартом работы SPI-интерфейса необходимо сформировать сигнал записи информации в регистры с параллельных входов D0-D7. Для 38 этого можно использовать один из выходов микроконтроллера, в данном примере PC0.
Рис. 1.25. Функциональная схема регистра CD74HCT166
Рис. 1.26. Подключение двухпозиционных датчиков к SPI-интерфейсу
Рис. 1.27. Подключение шестиразрядного индикатора к SPI-интерфейсу
Применяя регистры с последовательной записью и параллельной выдачей информации (8-Bit Serial-In, Parallel-Out Shift Register) – SN74HC595 , SPI-интерфейс можно использовать и для многобайтовой параллельной выдачи информации. В качестве примера на рис. 1.27 приведена схема подключения шестиразрядного семисегментного индикатора к микроконтроллеру. В отличие от предыдущей схемы, сигнал параллельного вывода (PB1) необходимо сформировать после окончания передачи данных интерфейсом SPI средствами, выходящими за рамки интерфейса. Например, алгоритм взаимодействия с интерфейсом должен предусматривать контроль количества переданных байтов данных, а после завершения передачи последнего байта необходимо дополнительно передать сигнал параллельного вывода.
Интерфейсы передачи.
Для передачи данных с одного устройства на другое или с одной микросхемы на другую разработано множество интерфейсов передачи данных. Каждый интерфейс имеет как положительные, так и отрицательные стороны, поэтому необходимо знать какие интерфейсы бывают, их плюсы и минусы и использовать правильный интерфейс для передачи данных в той или иной ситуации.
Интерфейсы бывают с асинхронной и синхронной передачей данных. При синхронной передаче данных, одновременно с данными передаётся синхросигнал, позволяющий синхронизироваться приёмнику и передатчику. Примером такого протокола служит интерфейс SPI.
В асинхронной передаче данных синхронизирующий сигнал отсутствует. В таких линиях существует опасность рассогласования приёмника и передатчика, в результате чего дальнейшие данные будут приняты не правильно. Для предотвращения этого в асинхронных интерфейсах производится периодическая синхронизация по линиям передачи данных. Плюсом таких интерфейсов является меньшее число проводников, требующееся для передачи.
Рассмотрим несколько наиболее популярных интерфейсов поближе.
Интерфейс USART.
Интерфейс USART - последовательный универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик. Передача данных в USART осуществляется через равные промежутки времени. Этот временной промежуток определяется заданной скоростью USART и указывается в бодах (Для символов, которые могут принимать значения, равные только нулю или единице бод эквивалентен битам в секунду). Существует общепринятый ряд стандартных скоростей: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600 бод.
Помимо бит данных USART автоматически вставляет в поток синхронизирующие метки, так называемые стартовый и стоповый биты. При приёме эти лишние биты удаляются. Обычно стартовый и стоповый биты отделяют один байт информации (8 бит), однако встречаются реализации USART, которые позволяют передавать по 5, 6, 7, 8 или 9 бит. Биты, отделённые стартовым и стоповым сигналами, являются минимальной посылкой. USART позволяет вставлять два стоповых бита при передаче для уменьшения вероятности рассинхронизации приёмника и передатчика при плотном трафике. Приёмник игнорирует второй стоповый бит, воспринимая его как короткую паузу на линии.
Принято соглашение, что пассивным (в отсутствие данных) состоянием входа и выхода USART является логическая «1». Стартовый бит всегда логический «0», поэтому приёмник USART ждёт перепада из «1» в «0» и отсчитывает от него временной промежуток в половину длительности бита (середина передачи стартового бита). Если в этот момент на входе всё ещё «0», то запускается процесс приёма минимальной посылки. Для этого приёмник отсчитывает 9 битовых длительностей подряд (для 8-бит данных) и в каждый момент фиксирует состояние входа. Первые 8 значений являются принятыми данными, последнее значение проверочное (стоп-бит). Значение стоп-бита всегда «1», если реально принятое значение иное, USART фиксирует ошибку.
Для формирования временных интервалов передающий и приёмный USART имеют источник точного времени (тактирования). Точность этого источника должна быть такой, чтобы сумма погрешностей (приёмника и передатчика) установки временного интервала от начала стартового импульса до середины стопового импульса не превышала половины (а лучше хотя бы четверти) битового интервала. Для 8-бит посылки 0,5/9,5 = 5 % (в реальности не более 3 %). Поскольку эта сумма ошибок приёмника и передатчика плюс возможные искажения сигнала в линии, то рекомендуемый допуск на точность тактирования USART не более 1,5 %.
Поскольку синхронизирующие биты занимают часть битового потока, то результирующая пропускная способность UART не равна скорости соединения. Например, для 8-битных посылок формата 8-N-1 синхронизирующие биты занимают 20 % потока, что для физической скорости 115 200 бод даёт битовую скорость данных 92160 бит/с или 11 520 байт/с.
Контроль чётности
В протоколе USART имеют возможность автоматически контролировать целостность данных методом контроля битовой чётности. Когда эта функция включена, последний бит данных («бит чётности») всегда принимает значение 1 или 0, так чтобы количество единиц в байте всегда было четным.
Управление потоком
В старые времена устройства с USART могли быть настолько медлительными, что не успевали обрабатывать поток принимаемых данных. Для решения этой проблемы модули USART снабжались отдельными выходами и входами управления потоком. При заполнении входного буфера логика принимающего USART выставляла на соответствующем выходе запрещающий уровень, и передающий USART приостанавливал передачу. Позже управление потоком возложили на коммуникационные протоколы, и надобность в отдельных линиях управления потоком постепенно исчезла.
Физическая реализация.
USART это протокол обмена, т.е. он определяет способ формирования бита, параметры передачи байта, скорость передачи и прочее.
А вот физическая реализация у USART-a может быть различная. Например, для передачи данных внутри одной платы сигналы передаются уровнями +5В и 0В. Для передачи данных на длинные расстояния и между устройствами применяются другие физические уровни напряжений и стандарты такие как: токовая петля (4-20 мА), RS-232 (COM-порт), RS-485 и тому подобные.
Для преобразования «контроллерных» уровней 0-5В в «стандартные» существует огромное количество специализированных микросхем, например ADM202 для RS-232.
Последовательный интерфейс SPI
Наименование SPI является аббревиатурой от "Serial Peripheral Bus", что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу "ведущий-подчиненный". В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSP-контроллер или специализированная ИС. Устройства, подключенные к ведущему, являются ведомыми. 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. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий и от него полностью зависит работа подчиненного.
Подключение.
Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала. Назначение сигналов SPI описано в таблице 7.1.
Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 7.2. 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. 7.3), либо каскадное (последовательное) (рис. 7.4). 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).
В случае нехватки ножек микроконтроллера можно использовать микросхему демультиплексора. Демультиплексор подключает единственный входной сигнал к одному из выходных сигналов, в зависимости от кода на управляющих ножках. На рис 7.4 представлена схема подключения демультиплексора. На его вход подаётся сигнал SS, который принимает значение, равное 0, если необходимо выбрать одну из микросхем. Номер нужной микросхемы в двоичном коде подаётся на ножки Am-A0. Это позволяет уменьшить количество используемых в микроконтроллере ножек до m=log 2 n. Где n – количество подчинённых микросхем. Т.е. для подключения 128-ми устройств требуется 8 выводов микроконтроллера. Один для установки разрешающего сигнала и 7 для установки номера включаемой микросхемы. Необходимо отметить, что на неподключенных ножках демультиплексора должна быть логическая единица. В противном случае используется инвертер сигнала, преобразующий логический ноль в логическую единицу.
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".
Протокол передачи
Протокол передачи по интерфейсу SPI по сути идентичен логике работы сдвигового регистра (рис 7.6), 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.
Информация по режимам SPI представлена на рис 7.7 и 7.8.
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 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.
Интерфейс RS-485
Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).
Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" – отрицательна (рис 7.9).
Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.
Аппаратная реализация интерфейса RS485.
Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485.
RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.
RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются в режиме приема (рис 7.10).
Расшифровка обозначений на рис 7.10
D (driver) - передатчик;
R (receiver) - приемник;
DI (driver input) - цифровой вход передатчика;
RO (receiver output) - цифровой выход приемника;
DE (driver enable) - разрешение работы передатчика;
RE (receiver enable) - разрешение работы приемника;
A - прямой дифференциальный вход/выход;
B - инверсный дифференциальный вход/выход;
Y - прямой дифференциальный выход (RS-422);
Z - инверсный дифференциальный выход (RS-422).
Подробнее остановимся на приемопередатчике RS-485. Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи - приемник. Для этого служат управляющие входы - разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта контроллера. При уровне "0" - работа на прием, при "1" - на передачу (рис 7.11).
Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ - приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.
Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.
Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.
Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10Мбод/сек. Максимальное расстояние – 1200 метров. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 метров или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры).
Интерфейс I2C.
Этот интерфейс был предложен фирмой Philips, которая применила его для организации связи между микросхемами в своих телевизорах. I 2 C (аббревиатура слов Inter-Integrated Circuit) представляет собой двунаправленную асинхронную шину с последовательной передачей данных. Физически шина I 2 C представляет собой две сигнальные линии, одна из которых (SCL) предназначена для передачи тактового сигнала, а вторая (SDA) для обмена данными. Для управления линиями применяются выходные каскады с открытым коллектором, поэтому линии шины должны быть подтянуты к источнику питания +5 В через резисторы сопротивлением 1...10 кОм, в зависимости от физической длины линий и скорости передачи данных. Длина соединительных линий в стандартном режиме может достигать 2-х метров, скорость передачи данных – 100 кбит/с.
Все абоненты шины делятся на два класса – «Ведущий» и «Ведомый». Ведущее устройство генерирует тактовый сигнал (SCL). Оно может самостоятельно выходить на шину и адресовать любое ведомое устройство с целью передачи или приёма информации. Все ведомые устройства "слушают" шину на предмет обнаружения собственного адреса и, распознав его, выполняют предписываемую операцию. Кроме того, возможен так называемый "MultiMaster"-режим, когда на шине установлено несколько ведущих устройств, которые либо совместно разделяют общие ведомые устройства, либо попеременно являются то ведущими, когда сами инициируют обмен информацией, то ведомыми, когда находятся в режиме ожидания обращения от другого ведущего устройства. Режим "MultiMaster" требует постоянного слежения и распознавания конфликтов. В связи с этим, данный режим сложнее в реализации (имеется ввиду программная реализация) и, как следствие, реже используется в реальных изделиях.
В начальный момент времени – в режиме ожидания – обе лини SCL и SDA находятся в состоянии логической единицы (транзистор выходного каскада с открытым коллектором закрыт). В режиме передачи (рис 7.12) бит данных SDA тактируется восходящим фронтом SCL. Смена информации на линии SDA производится при нулевом состоянии линии SCL. Ведомое устройство может "придерживать" линию SCL в нулевом состоянии, например, на время обработки очередного принятого байта, при этом ведущее устройство обязано дождаться освобождения линии SCL, прежде чем продолжать передачу информации.
Для синхронизации пакетов шины I 2 C различают два условия – "START" и "STOP", ограничивающие начало и конец информационного пакета (рис 7.13). Для кодирования этих условий используется изменение состояния линии SDA при единичном состоянии линии SCL, что недопустимо при передаче данных. "START"-условие образуется при появлении нисходящего фронта на линии SDA, когда линия SCL находится в единичном состоянии, и наоборот, "STOP"-условие образуется при появлении восходящего фронта линии SDA при единичном состоянии линии SCL.
Передача данных начинается по первому восходящему фронту на линии SCL, которым тактируется старший бит первого информационного байта. Каждый информационный байт (8 битов) содержит 9 тактовых периодов линии SCL. В девятом такте устройство-получатель выдаёт подтверждение (ACK) – нисходящий фронт, свидетельствующий о приёме данных. Следует отметить, что любой абонент шины, как ведущий, так и ведомый может в разные моменты времени быть как передатчиком, так и получателем и в соответствии с режимом обязан либо принимать, либо выдавать сигнал ACK, отсутствие которого интерпретируется как ошибка.
Чтобы начать операцию обмена данными, ведущее устройство выдаёт на шину "START"-условие. За "START"-условием следует байт с адресом ведомого устройства (рис 7.14), состоящий из семибитового адреса устройства (биты 1...7) и однобитового флага операции чтения-записи - "R/W" (бит 0). Бит R/W определяет направление обмена, причём 0 означает передачу данных от ведущего к ведомому (рис 7.14а), а 1 – чтение из ведомого (рис 7.14б). Все биты по шине I 2 C передаются в порядке от старшего к младшему, то есть первым передаётся 7-ой бит, последним 0-ой. За адресом могут следовать один или более информационных байтов (в направлении, определённом флагом R/W), биты которых тактируются ведущим устройством по шине SCL.
При совершении операции чтения ведущее устройство должно сопровождать прочитанный байт сигналом ACK, если необходимо прочитать следующий байт, и не выдавать сигнал ACK, если собирается закончить чтение пакета (см. рисунок 7.14б).
Допускается многократное возобновление адреса ведомого устройства в одном цикле передачи, то есть передача повторного "START"-условия без предварительного "STOP"-условия (рисунок 7.14в).
Необходимо отметить некоторые особенности микросхем памяти, работающих по интерфейсу I 2 C, и процедур обмена данными с ними. Во-первых, энергонезависимая память данных этих микросхем разбита на страницы памяти, поэтому при записи байта вначале происходит копирование всей страницы во внутреннюю оперативную память микросхемы, где производится изменение нужной ячейки. После этого, производится стирание старой страницы и запись на её место новой. Ещё одной особенностью является то, что старшие четыре бита адреса ведомого устройства всегда должны быть равны 1010. Это требование регламентировано самой фирмой Philips.
Шина 1-Wire использует только один проводник для связи и питания. Режим связи – асинхронный и полудуплексный, который строго следует схеме ведущий-подчиненный. К одной и той же шине могут быть одновременно подключено одно или несколько подчиненных устройств. К одной шине может быть подключено только одно ведущее устройство.
Незанятому состоянию шины соответствует высокий уровень, который формируется подтягивающим резистором. Номинал подтягивающего резистора приводится в документации на подчиненную ИМС. Все микросхемы, подключенные к шине, должны быть способны создавать низкий уровень. Если выход микроконтроллера не поддерживает три состояния, то необходимо предусмотреть драйвер, у которого выход с открытым коллектором или открытым стоком
Передача сигналов по шине 1-Wire разделена на временные слоты длительностью 60 мкс. Одним временным слотом передается только один бит данных. Подчиненным устройствам допускается иметь существенные отличия от номинальных выдержек времени. Однако это требует более точного отсчета времени ведущим, чтобы гарантировать корректность связи с подчиненными, у которых различаются временные базисы.
Основные сигналы шины.
Ведущий инициирует каждую связь на битном уровне. Это означает, что передача каждого бита, независимо от направления, должна быть инициирована ведущим. Это достигается установкой низкого уровня на шине, который синхронизирует логику всех остальных устройств. Существует 5 основных команд для связи по шине 1-Wire: “Запись лог. 1”, “Запись лог. 0”, “Чтение”, “Сброс” и “Присутствие”.
Сигнал “Запись лог. 1”
Сигнал “Запись лог. 1” показан на рис. 7.15. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого, в течение оставшейся части временного слота он освобождает шину.
Рис. 7.15 – Сигнал «Запись лог. 1»
Сигнал “Запись лог. 0”
Сигнал “Запись лог. 0” показан на рис 7.16. Ведущий формирует низкий уровень в течение не менее 60 мкс, но не дольше 120 мкс.
Рис 7.16 – Сигнал «Запись лог. 0»
Сигнал “Чтение”
Сигнал “Чтение” показан на рис. 7.17. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого подчиненный удерживает шину в низком состоянии, если желает передать лог. 0. Если необходимо передать лог. 1, то он просто освобождает линию. Сканирование шины необходимо выполнять по истечении 15 мкс после установки низкого уровня на шине. Если смотреть со стороны ведущего, сигнал “Чтение” является, в сущности, сигналом «Запись лог. 1». Собственно внутреннее состояние подчиненного будет определять это сигнал «Запись лог. 1» или «Чтение».
Рис 7.17 – Сигнал «Чтение»
Сигнал “Сброс/присутствие”
Сигналы “Сброс” и “Присутствие” показаны на рис 7.18. Обратите внимание, что временные интервалы импульсов отличаются. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 8 временных слотов (480 мкс), а затем освобождает шину. Данный длительный период низкого состояния называется сигнал «Сброс».
Если на шине присутствует подчиненный, то он должен в течение 60 мкс после освобождения ведущим шины установить низкий уровень длительностью не менее 60 мкс. Данный отклик носит название «Присутствие». Если такой сигнал не обнаруживается, то ведущий должен полагать, что нет подключенных устройств к шине и дальнейшая связь невозможна.
USB (Universal serial bus) разрабатывался для оперативного подключения внешних устройств к персональному компьютеру с последующим нахождением и установкой нужного программного обеспечения. Питание маломощных устройств производится непосредственно через интерфейс.
Стандарт USB подразумевает в сети наличие только одного ведущего (Host) устройства. При этом стандарт поддерживает до 127 ведомых устройств в сети. Для различения ведущих и ведомых устройств были разработаны разные виды разъёмов (рис 7.19): Тип А – для ведущего и Тип В для ведомого. Принято, что напряжение 5В присутствует только на разъёме типа А, являющего ведущим. Остальные же устройства питаются непосредственно от него.
В стандарте USB используется 4 экранированных провода, из которых два передают питание (+5v & GND) (рис 7.19 и таблица 7.2). Остальные два представляют витую пару (twisted pair) дифференциальных сигналов данных. Используется схема кодирования NRZI (Non Return to Zero Invert, без возврата к нулю с инверсией) для передачи данных с полем синхронизации для синхронизации тактов ведущего и ведомых устройств.
В стандарте USB 2.0 появился стандарт On-The-Go (OTG), в котором введен протокол Host Negotiation Protocol, позволяющий двум устройствам USB договориться, кто будет выполнять роль ведущего. Это предназначено и ограничено одиночными подключениями точка-точка, например мобильный телефон – персональный компьютер.
USB поддерживает «горячее» (plug’n’play) соединение с динамически загружаемыми и выгружаемыми драйверами. Пользователь просто втыкает устройство, подключая его тем самым к шине. Хост детектирует присоединение, опрашивает свежевставленное устройство и загружает подходящий драйвер, индицируя песочными часами на экране момент загрузки (если драйвер для устройства USB уже установлен в системе). Конечный пользователь не заботится ни о терминировании, ни об IRQ (прерываниях) и адресах портов, ни о перезагрузке компьютера (перезагрузка не требуется). Когда пользователь закончил работу с USB-устройством, он просто вынимает его (или отсоединяет кабель), хост обнаружит отсутствие устройства и автоматически выгрузит драйвер.
SB версии 1.1 поддерживает две скорости – режим full speed со скоростью 12 Mbits/s и режим low speed со скоростью 1.5 Mbits/s. Режим 1.5 Mbits/s медленнее, и менее чуствителен к EMI (помехам), чем уменьшает стоимость ферритовых колец и снижает требования к качеству компонентов.
Кабель для поддержки полной скорости шины (full-speed) выполняется как витая пара, защищается экраном и может также использоваться для работы в режиме минимальной скорости (low-speed). Кабель для работы только на минимальной скорости (например, для подключения мыши) может быть любым и неэкранированным.
В стандарте USB 2.0 вводится режим High Speed со скоростью передачи данных 480Mbits/s.
Передача данных.
Все передачи данных по интерфейсу инициируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB используется несколько разновидностей пакетов:
А) пакет-признак (token paket ) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN , OUT , SOF , SETUP ;
Б) пакет с данными (data packet ) содержит передаваемые данные;
В) пакет согласования (handshake packet ) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согласования бывают нескольких типов: ACK , NAK , STALL .
Передача данных по USB производится следующим образом:
Первый пакет, так называемый token, генерируется ведущим устройством для описания типа передаваемых данных, операции передачи (чтение или запись), адрес устройства и конечной точки (endpoint). Следующим обычно передаётся пакет данных, несущий полезную информацию, за которым идет пакет согласования (handshaking packet), сообщающий о том, что данные или token были приняты успешно, или конечная точка (endpoint) остановлена (stalled) или недоступна для принятия данных.
Конечными точками в стандарте USB называются источники и приёмники данных. Все устройства должны поддерживать конечную точку 0. Это конечная точка, которая принимает все управляющие запросы и запросы статуса во время энумерации (запрос дескриптора для определения типа подключенного устройства) и в течение всего времени, когда устройство остается работоспособным на шине.
Конечные точки с номерами от 1 используются для передачи пользовательской информации. Рассмотрим пару примеров.
Драйвер устройства передаёт на конечную точку ЕР1 ведущего устройства. Т.к. данное устройство является ведущим, то данные попадают в OUT буфер ЕР1. При этом посылается токен OUT, говорящий о готовности данных к отправке. Получив этот токен, ведомое устройство может считать данные из буфера OUT.
Если ведомому устройству требуется передать на ведущее данные, оно помещает их в буфер IN. В этом буфере данные будут до тех пор, пока ведущее устройство не отправит токен IN, запрашивая данные с конечной точки. Все буферы конечных точек называются по отношению к ведущему устройству, т.е. выходной буфер ведомого устройства называется IN т.к. он является входным буфером для ведущего устройства.
Передача данных от одной конечной точки к другой производится через потоки. Поток – логическое соединение между хостом и конечной точкой (точками).
Потоки также имеют набор параметров, таких как тип передачи (Control, Bulk, Iso или Interrupt), направление потока данных и максимальные размеры пакета/буфера.
Например, поток по умолчанию – это двунаправленный поток, составленный из IN конечной точки 0 и OUT конечной точки 0 с типом передачи control.
USB определяет два типа потоков (pipes)
А) Stream Pipes не имеют предопределенного USB формата, поэтому Вы можете послать данные любого типа через stream pipe и восстановить данные на другом конце. Потоки данных последовательны и имеют предопределенную направленность – IN или OUT. Stream pipes поддерживают типы передач bulk, isochronous и interrupt. Stream pipes могут управляться либо от хоста, либо от устройства.
Б) Message Pipes имеют предопределенный USB формат. Они управляются хостом, инициируются запросом, отправляемым от хоста. Данные пересылаются в нужном направлении, заданном в запросе. Таким образом, message pipes позволяют передавать данные в обоих направлениях, но поддерживают только передачи control.
Стандарт USB описывает четыре типа передачи данных:
А) Управляющая пересылка (control transfer ) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.
Б) Потоковая пересылка (bulk transfer ) используется для передачи относительно большого объема информации.
В) Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer ) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.
Г) Изохронная пересылка (isochronous transfer ) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.
Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации. Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN -пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она н
SPI - Serial Peripheral Interface или «Последовательный периферийный интерфейс» - это синхронный протокол передачи данных для сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами (Slave) . Ведущим устройством часто является микроконтроллер. Связь между устройствами осуществляется по четырём проводам, поэтому SPI иногда называют «четырёхпроводной интерфейс». Вот эти шины:
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 . В последнем столбце таблицы приведены поясняющие иллюстрации. На них Sample обозначены моменты, когда данные на линии должны быть готовы и считываются устройствами. Буквой Z отмечено, что состояние данных на линии неизвестно или не важно.
Интерфейс SPI предусматривает несколько вариантов подключения ведомых устройств: независимое и каскадное . При независимом подключении к шине SPI ведущее устройство обращается к каждому ведомому устройству индивидуально. При каскадном подключении ведомые устройства срабатывают поочерёдно, как бы каскадом.
Виды подключения устройств для работы по интерфейсу SPI: независимое и каскадное
2 Реализация интерфейса SPI на платах семейства Arduino
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, программирование 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 цифровой вывод Ардуино в качестве SS.
На рисунке приведено стандартное соответствие выводов шинам SPI для Arduino UNO и Nano.
3 Стандартная библиотека для работы по интерфейсу SPI
Для Arduino написана специальная библиотека , которая реализует протокол SPI . Она устанавливается вместе со средой разработки Arduino IDE . Подключается она так: в начале программы добавляем #include SPI.h .
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 SPI_MODE0 .
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.
Если вы планируете в своём скетче использовать стандартные пины Arduino, можно не описывать их в начале программы, т.к. они уже определены в самой библиотеке и имеют следующие имена:
#define PIN_SPI_SS (10) #define PIN_SPI_MOSI (11) #define PIN_SPI_MISO (12) #define PIN_SPI_SCK (13)
Данные пины определены в файле pins_arduino.h , который находится по пути %programfiles%\arduino-(версия)\hardware\arduino\avr\variants\ (если вы устанавливали программу в стандартное расположение). То есть, например, чтобы опустить пин выбора ведомого в состояние "0", можно написать:
DigitalWrite(PIN_SPI_SS, LOW);
4 Подключение сдвигового регистра к Arduino
Рассмотрим практическое применение интерфейса SPI . Будем зажигать светодиоды, управляя 8-битным сдвиговым регистром по шине SPI . Подключим к Arduino сдвиговый регистр 74HC595 . К каждому из 8-ми выходов регистра через ограничительный резистор подключим по светодиоду номиналом 220 Ом. Схема приводится на рисунке.
5 Скетч для управления сдвиговым регистром по интерфейсу SPI
Напишем скетч, реализующий «бегущую волну», последовательно зажигая светодиоды, подключённые к выходам сдвигового регистра.
#include
Сначала подключим библиотеку SPI и инициализируем интерфейс SPI . Определим пин 8 как пин выбора ведомого устройства SS . 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 при переводе в десятичную систему счисления образуют такую последовательность: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и являются степенями двойки 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 монитор последовательного порта выводятся значения, которые получаются при этой операции: единичка «бежит» по разрядам - светодиоды загораются волной.
6 «Бегущая волна» из светодиодов
Светодиоды загораются по очереди, и мы наблюдаем бегущую «волну» из огоньков. Управление светодиодами осуществляется с помощью сдвигового регистра, к которому мы подключились по интерфейсу SPI . В результате для управления 8-ю светодиодами задействованы всего 3 вывода Arduino. Если бы мы подключали светодиоды напрямую к цифровым портам Arduino, нам бы потребовалось для каждого светодиода использовать отдельный порт.
Мы изучили самый простой пример работы Arduino с шиной SPI . Более подробно рассмотрим работу нескольких сдвиговых регистров при независимом и каскадном подключениях в отдельной статье.
В этой статье я хочу провести краткий обзор шины SPI (интерфейса, широко распространённого во встраиваемой технике, используемого для подключения различных устройств) и попытаюсь описать процесс создания драйвера протокольного уровня SPI устройства для Linux. Данный документ не претендует на роль полного руководства, а скорее преследует цель указать нужное направление. Так как статья не вошла в размер одного топика, мне пришлось разбить её на две части.
0. Вместо введения
Что это за статья?Эта статья представляет собой компиляцию информации из различных источников, вольный перевод некоторых частей документации, а также мои собственные комментарии, дополнения и описания возникших проблем.
Для кого эта статья?
В первую очередь, для новичков, каковым являюсь и я. На форумах по embedded Linux очень часто можно встретить вопрос: «А как на этой плате работать с SPI?». Именно на него я и попытаюсь дать ответ. В качестве примера, я приведу код написанный для работы с моим тестовым SPI устройством.
Структура статьи
По причине того, что информации получилось достаточно много, статья разбита на несколько подразделов:
- Что такое SPI?
- Обзор SPI подсистемы в Linux
- Разработка userspace протокольного SPI драйвера с использованием spidev
- Разработка протокольного SPI драйвера уровня ядра
- Документация
Первый подраздел описывает работу шины SPI, данная часть статьи конкретно к Linux никак не привязана, поэтому её можно читать тем, кому Linux не интересен, а нужно лишь получить информацию об этом интерфейсе.
Второй подраздел описывает структуры и механизмы лежащие в основе работы с SPI в Linux, его нужно прочесть для понимания того, о чём пойдёт речь в третьей и четвёртой частях.
Если вас не интересует мои переводы и дополнения, можете смело переходить сразу к пятой части, там можно найти информацию о том, где получить всю необходимую информацию по данному вопросу.
Ошибки
Я не волшебник, я только учусь. Если найдёте какие-либо ошибки или неточности, пожалуйста, сообщите мне.
1. Что такое SPI?
Аббревиатура SPI означает «Serial Peripheral Interface» или в русском варианте «последовательный периферийный интерфейс». Название говорит само за себя, данный интерфейс используется для работы с различными периферийными устройствами. Например, это могут быть различные ЦАП/АЦП, потенциометры, датчики, расширители портов ввода/вывода (GPIO), различная память и даже более сложная периферия, такая как звуковые кодеки и контроллеры Ethernet.С технической точки зрения SPI - это синхронная четырёхпроводная шина. Она представляет собой соединение двух синхронных сдвиговых регистров, которые является центральным элементом любого SPI устройства. Для соединения используется конфигурацию ведущий/ведомый. Только ведущий может генерировать импульсы синхронизации. В схеме всегда только один ведущий (в отличие от той же шины I2C, где возможен вариант с более чем одним ведущим), количество ведомых может быть различно. В общем случае выход ведущего соединяется со входом ведомого, и наоборот, выход ведомого соединяется со входом ведущего. При подаче импульсов синхронизации на выход SCK, данные выталкиваются ведущим с выхода MOSI, и захватываются ведомым по входу MISO. Таким образом если подать количество импульсов синхронизации соответствующее разрядности сдвигового регистра, то данные в регистрах обменяются местами. Отсюда следует что SPI всегда работает в полнодуплексном режиме. А вот нужны ли нам данные, полученные от устройства при записи какого-либо параметра, это уже другой вопрос. Часто бывает что данные полученные от устройства при записи в него данных являются мусором, в таком случае их просто игнорируют, но мы их получим вне зависимости от нашего желания.
Контроллер SPI, как правило, реализуется периферийным блоком в MCU или eMPU. В большинстве чипов он может работать как в режиме ведущего, так и в режиме ведомого. Но на данный момент Linux поддерживает только режим ведущего (Master).
Существует несколько способов включения SPI устройств.
Простейший из них вы видите на рисунке выше (спасибо Wikipedia за рисунки под свободной лицензией GFDL). В данном случае к ведущему все ведомые подключаются параллельно, за исключением сигнала выбора ведомого (~CS). Для каждого ведомого необходим отдельный сигнал выбора ведомого (на рисунке они обозначены как SSx). Для сигналов выбора ведомого могут использоваться как специально предназначенные для этого выходы SPI-контроллера, так и порты ввода/вывода общего назначения (GPIO) микроконтроллера.
Два проводника используются для передачи данных, один для подачи тактовых импульсов и по одному сигналу выбора ведомого для каждого из ведомых.
Описание используемых сигналов:
- MOSI - Master Output, Slave Input (выход ведущего, вход ведомого). Данный сигнал предназначен для последовательной передачи данных от ведущего к ведомому. Также может называться SDO, DO и т.п.
- MISO - Master Input, Slave Output (вход ведущего, выход ведомого). Данный сигнал предназначен для последовательной передачи данных от ведомого к ведущему. Может называться SDI, DI и т.п.
- SCK - Serial Clock (сигнал синхронизации). Используется для синхронизации при передаче данных. Также может иметь название SCLK, CLK и др.
- ~CS - Chip Select (выбор микросхемы). С помощью данного сигнала происходит активация ведомого устройства. Обычно он является инверсным, то есть низкий уровень считается активным. Иногда его называют ~SS (Slave Select, рус. «выбор ведомого»).
Частным случаем независимого подключения является вариант с одним единственным ведомым. В таком случае может возникнуть желание подтянуть сигнал ~CS к земле, чтобы устройство всегда было в активном состоянии. Но делать это крайне не рекомендуется, так как ведомое устройство может использовать сигнал CS для инициализации или для других служебных целей.
Основное неудобство при независимом подключении ведомых в том, что для каждого из ведомых необходим отдельный сигнал ~CS. Каскадная схема подключения, в зарубежной литературе называемая «daisy-chain» (можно перевести как «гирлянда»), лишена такого недостатка.
Как видно из рисунка выше, здесь используется общий сигнал выбора ведомого для всех ведомых. Выход каждого из ведомых соединяется со входом следующего. Выход последнего ведомого соединяется со входом ведущего, таким образом образуется замкнутая цепь. При таком подключении можно считать что последовательно соединённые устройства образуют один большой сдвиговый регистр. Соответственно, данные можно записать во все устройства «за один присест», предварительно собрав нужный пакет, объединяющий данные для каждого из устройств в порядке соответствующем физическому порядку соединения. Но тут есть один тонкий момент. Во-первых, все микросхемы должны поддерживать такой тип подключения; во-вторых, ядро Linux не поддерживает такой тип подключения, так что если всё же захотите его использовать, то вам придётся модифицировать существующие драйвера, либо же написать собственные.
Существует четыре режима работы SPI устройств. Как правило, именно они вызывают больше всего путаницы у новичков. Данные четыре режима представляют собой комбинацию двух бит:
- CPOL (Clock Polarity) - определяет начальный уровень (полярность) сигнала синхронизации.
CPOL=0 показывает, что сигнал синхронизации начинается с низкого уровня, так что передний фронт является нарастающим, а задний - падающим.
CPOL=1, сигнал синхронизации начинается с высокого уровня, таким образом передний фронт является падающим, а задний - нарастающим. - CPHA (Clock Phase) - фаза синхронизации, определяет по какому из фронтов синхронизирующего сигнала производить выборку данных.
CPHA=0 показывает что необходимо производить выборку по переднему фронту, а
CPHA=1 показывает что выборку данных необходимо производить по заднему фронту.
На этом рисунке показаны сигналы MOSI (синяя линия) и SCK (жёлтая линия). Во всех случаях передаётся число 0x64. Светлые вертикальные линии показывают момент выборки данных. Рассмотрим режим 2, для которого, как мы помним, CPOL=1, а CPHA=0. Таким образом мы видим что синхронизирующий сигнал изначально имеет высокий уровень, а выборка производится по переднему фронту (в данном случае спадающему). Так как осциллограф у меня имеет только два канала, сигналы ~CS и MISO не показаны. Но в данном случае они не так интересны, например, сигнал ~CS представляет собой просто «провал» на всём протяжении передачи данных.
2. Обзор SPI подсистемы в Linux
Драйверы SPI в Linux делятся на две части. Первая - это драйверы SPI контроллеров, которые работают непосредственно с железом конкретно взятого контроллера. Такие драйверы определяют как настроить контроллер, какие действия предпринять при переходе в режим пониженного энергопотребления (suspend) и выходе из него(resume), выбор следующей передачи (spi_transfer) из очереди передач в сообщении (spi_message, об очередях чуть ниже) и отправка его непосредственно в порт, также определяется как активировать/деактивировать конкретное устройство посредством CS (функции cs_activate/cs_deactivate). В этой статье я не буду описывать данный тип драйверов. Как правило, они уже реализованы для тех MCU/eMPU на которые существует порт Linux, и лезть в них руками надо только в том случае, если вам нужна какая-то специфичная функция, вроде Chip Select Decoding, для возможности активации нужного ведомого устройства посредством внешней логики. Иногда это бывает полезно, например, в случае недостатка GPIO.Вторая часть - это протокольные драйверы, используемые для работы с различными ведомыми устройствами, которые подключены к шине SPI. Данные драйверы называют «протокольными», потому что они лишь отправляют и получают различные данные от ведомых устройств, при этом не работая напрямую с каким-либо оборудованием. Именно данный тип драйверов нам наиболее интересен, так как позволяет добавить поддержку интересующего ведомого устройства в систему, его то мы и рассмотрим.
Большинство протокольных драйверов представляет собой модули ядра. Например, если устройство представляет собой аудиокодек подключаемый по SPI, то драйвер будет также использовать функции предоставляемые ALSA, а программы (например, madplay) смогут работать с ним посредством символьного устройства /dev/audio, не имея ни малейшего понятия о том как он аппаратно устроен и к какой шине подключен.
Также ядро предоставляет протокольный драйвер общего назначения, называемый spidev, с интерфейсом в виде символьного устройства. Он позволяет совершать полудуплексные обращения к ведомому SPI-устройству посредством стандартных системных вызовов read() и write(), устанавливать режим работы, а также производить полнодуплексный обмен данными посредством ioctl() вызовов.
Таким образом протокольные драйверы для SPI устройств можно разделить на два типа:
- userspace драйверы, работающие в пространстве пользователя и представляющие собой обычные программы на любом языке, работающие с SPI устройством посредством чтения/записи соответствующего символьного устройства spidev.
- драйверы, работающие в пространстве ядра и предоставляющие интерфейс для userspace посредством файлов устройств в каталоге /dev, либо с помощью атрибутов в каталоге устройства в sysfs.
struct spi_message { struct list_head transfers; struct spi_device *spi; unsigned is_dma_mapped:1; void (*complete)(void *context); void *context; unsigned actual_length; int status; struct list_head queue; void *state; };
transfers - связанный список передаваемых сегментов в транзакции (передач);
spi - указатель на spi устройство, в очереди которого стоит данное сообщение;
is_dma_maped - если данный флаг «истина», то предоставлены оба, dma и cpu виртуальные адреса для каждого буфера передачи;
complete - обратный вызов, вызываемый для извещения об окончании транзакции;
context - аргумент для обратного вызова complete();
actual_length - полное число байт, которые были переданы во всех успешных предачах;
status - 0 в случае успеха, либо отрицательное значение с errno в случае ошибки;
Теги:
- linux
- spi
- spidev
- embedded
- kernel module
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:
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.
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.
На рисунке приведено стандартное соответствие выводов шинам SPI для Arduino UNO и Nano.
Для Arduino написана специальная библиотека, которая реализует протокол SPI. Подключается она так: в начале программы добавляем #include SPI.h
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.
Рассмотрим практическое применение интерфейса SPI. Будем зажигать светодиоды, управляя 8-битным сдвиговым регистром по шине SPI. Подключим к Arduino сдвиговый регистр 74HC595. К каждому из 8-ми выходов подключим по светодиоду (через ограничительный резистор). Схема приводится на рисунке.
Напишем такой скетч.
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 двойки 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.
