Последовательный интерфейс SPI. Как работать с SPI - Теория Режимы работы spi
SPI (Serial Peripheral Bus ) - последовательный периферийный протокол обмена. Этот прокол был разработан компанией Motorola , но в настоящее время используется многими производителями. Он предназначен для связи микроконтроллеров между собой, а также со всевозможной периферией: датчиками, AЦП, микросхемами памяти, часами. Но все же наиболее частое применение SPI – это запись программы в память микроконтроллера. В микроконтроллерах AVR c помощью SPI можно прошить микроконтроллер не выпаивая из платы, такой способ прошивки называется ISP(In System Programming) . Хотя названия SPI и ISP очень созвучны, это не одно и то же, в AVR SPI используется как физический уровень ISP , то есть используются линии SPI для передачи данных, но сам протокол(программный уровень) отличается.
Для передачи данных в SPI используется три линии:
MISO(Master Input Slave Output) – по этой линии Master(ведущий) принимает данные от Slave(ведомого).
MOSI(Master Output Slave Input) – по этой линии Master отправляет данные Slave.
SCK(Serial Clock) – служит для передачи тактового сигнала ведомому устройству.
Также используется линия SS(Slave Select)
, которая определяет устройство с которым Master
будет обмениваться данными.
По причине того, что многие производители в своих устройствах используют SPI, названия выводов могут несколько отличаться. Ниже приведена таблица с альтернативными названиями.
SPI бывает двух видов аппаратный и программный. При реализации программного SPI , мы вручную должны устанавливать сигнал на ножках соответствующих MISO, MOSI, SS при этом дёргать за SCK . При аппаратной реализации SPI мы передаём данные в специальный регистр, а микроконтроллер сам проделывает вышеописанные манипуляции, по предварительным настройкам.
Физическая реализацию SPI
, представляет собой два соединённых вместе сдвиговых регистра.
В зависимости от того по какому логическому уровню сигнала SCK , происходит синхронизация Master и Slave и по какому фронту происходит захват и сдвиг данных, возможны 4 режима SPI .
- CPOL = 0 - сигнал синхронизации начинается с низкого уровня;
- CPOL = 1 - сигнал синхронизации начинается с высокого уровня;
- CPHA = 0 - выборка данных производится по переднему фронту сигнала синхронизации;
- CPHA = 1 - выборка данных производится по заднему фронту сигнала синхронизации.
CPOL = 0 CPHA = 0
CPOL = 1 CPHA = 0
CPOL = 0 CPHA = 1
CPOL = 1 CPHA = 1
SPI
- синхронный интерфейс, то есть для того чтобы получить какие-нибудь данные от Slave
, Master
должен что-нибудь отправить. Вроде всё понятно, но что если Master
отправляет один байт, а Slave
должен вернуть ему два? В таком случае Master должен отправить ему что-нибудь 2 раза, например 0х00.
//отправляем команду, в ответ должно прийти два байта
Spi_Master_Transmit(chx);
//отправляем что-нибудь для того чтобы принять первый байт
Spi_Master_Transmit(0X00);
touch_x = SPDR;
touch_x <<= 8;
//отправляем что-нибудь для того чтобы принять второй байт
Spi_Master_Transmit(0X00);
touch_x |= SPDR;
touch_x >>= 3;
На этом всё, выше пример кода взятый из рабочего проекта.
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.
Serial Peripheral Interface или SPI - последовательный периферийный интерфейс, служит для связи периферии и микроконтроллера. Например, в качестве периферии может быть: дисплей, различные датчики, FLASH память, SD карта (да, да, SD карта или «флешка» которую вы используете в телефонах и фотоаппаратах общается с внешним миром с помощью интерфейса SPI) и т.д.
К сожалению официальной документации на интерфейс SPI нет, поэтому данный пост основывается на различных статьях в Интернете, собственного опыта и документации на микроконтроллеры.
О том что такое SPI читайте в статьях википедии
В SPI всегда есть один ведущий и один/несколько ведомых.
Передачу данных всегда инициализирует ведущий.
В SPI используются четыре линии связи:
- MOSI или SI - выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In ). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.
- MISO или SO - вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out ). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.
- SCLK или SCK - последовательный тактовый сигнал (англ. Serial Clock ). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.
- CS или SS - выбор микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select ).
P.S. Для обеспечения односторонней связи с одним устройством, достаточно использовать SCLK , MOSI (в случае если ведомое устройство только принимает) или SCLK , MISO (в случае если ведомое устройство ничего не принимает, а только передает информацию). На входе CS ведомого устройства должен быть установлен логический ноль , иначе ведомый не будет работать.
P.S. Если ведомое устройство и передает и принимает, то можно ограничиться тремя проводами – MISO , MOSI , SCLK , на вход CS ведомого устройства также необходимо установить логический ноль .
SPI может быть реализован в микроконтроллере аппаратно , тогда задача по управлению интерфейсом решается для каждого микроконтроллера отдельно, т.к. реализации могут быть разными. Например, для ATmega328Р (микроконтроллер компании Atmel) при работе с SPI нам нужно самим программным путем установить на SS логический ноль при начале приема/передачи и установить логическую единицу обратно при окончание передачи .
Для передачи данных к ведомому устройству, нужно в сдвигающий регистр MASTER-а (на изображение сдвигающий регистр мастера — «8 BIT SHIFT REGISTER ») записать байт передаваемой информации . При этом автоматически на SCK начнет генерироваться синхросигнал . Это и есть аппаратная реализация.
Если аппаратной поддержки SPI в микроконтроллере нет, то интерфейс SPI можно всегда реализовать программно , т.е. создать программу управляющая ножками контролера согласно протоколу обмена SP.
Различия в реализациях интерфейса SPI
Ведомые микросхемы могут по разному «интерпретировать» принятый сигнал по SPI, отличие может заключается в следующих моментах:
- в размере передающих данных или размер пакета , обычно это 8 бит , но бывает и больше
- в порядке следования бит , сначала старший бит или сначала младший бит
- по какому уровню синхросигнала передаются данные (по логической единицы (HIGH) или логическому нулю (LOW))
- по какому фронту импульса происходит синхронизация (по подъему или спуску), кратко это называют «фазой синхронизации»
Комбинация «уровня синхронизирующего сигнала » и «фазы синхронизации » определяется в спецификациях как режимы работы SPI . Их всего 4-е :
| Режим | Уровень сигнала (CPOL) | Фаза (CPHA) |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 2 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 1 |
В столбце «Уровень сигнала » 1-ца , означает, что бит данных , принимаются ведомым устройством, когда по линии синхронизации передается ноль , другими словами — ведомое устройство ожидает и не принимает данные, когда на SCK установлена логическая 1-ца .
В столбце «Фаза » 1-ца , означает, что сигнал синхронизации определяется по спадающему фронту синхроимпульса , а логический 0-ль по нарастающему фронту синхроимпульса .
P.S. Причем если в столбце «Уровень сигнала » установлена 1-ца , то спадающий и нарастающий фронт если изобразить на диаграмме будет «вверх ногами ».
На диаграммах, данные 4-е режима можно изобразить следующим образом:
Более подробно о принципах работы SPI вы можете прочесть в статье
http://www.kit-e.ru/articles/interface/2009_03_53.php
Реализация SPI на микроконтроллерах ATmega серии AVR (ATmega328P) и «ранних» МК фирмы Motorola
В микроконтроллере ATmega328P (микроконтроллер фирмы Atmel серии AVR) можно управлять следующими параметрами SPI :
Для настройки и управлением SPI интерфейсом используют три регистра:
- Регистр управления — SPCR
- Регистр состояния — SPSR
- Регистр данных — SPDR
Подробнее о каждом из них …
Регистр управления – « SPCR » 0x2C , адрес для записи 0x4C
— Логическая единица в 7-ом бите (имя бита SPIE ) – разрешить прерывания от SPI (прерывание будет в том случае если установлен бит глобального разрешения прерываний регистра SREG (7-й бит)). После окончания передачи байта будет сгенерировано прерывание.
— Логическая единица в 6-ом бите (имя бита — SPE ) — подключить SS, MOSI, MISO и SCK к портам микроконтроллера ATmega328P — PB2,PB3,PB4,PB5 .
— Логическая единица в 5-ом бите (имя бита DORD ) – определит, что по SPI сначала передается младший разряд , а потом старший – режим «LSB». Логический ноль, наоборот, что сначала передается старший разряд, а далее младший – режим «MSB».
— Логическая единица в 4-ом бите (имя бита — MSTR ) — режим ведущий включить , ноль – включить режим ведомого
— Логическая единица в 3-ем бите (имя бита CPOL ) (полярность сигнала синхронизации или уровень синхронизации) – синхронизация ведется по отсутствию импульса (по логическому нулю) или тактовый сигнал в состоянии ожидания равен 1-цы. Логический ноль — синхронизация ведется по присутствию импульса (по логической единицы) или тактовый сигнал в состоянии ожидания равен 0-лю. По какому фронту (спад или подъем) ведется синхронизация определяется в 2-ом бите (CPHA ).
— Логическая единица в 2-ом бите (имя бита CPHA ) (фаза синхронизации) – определяет, что сигнал синхронизации определяется по спадающему фронту SCK , а логический ноль по нарастающему фронту SCK . Причем если в CPOL установлена 1-ца, то спадающий и нарастающий фронт если изобразить на диаграмме «вверхногами».
1-ый и 0-ой бит совместно с битом SPI2x в регистре SPSR определяют скорость передачи данных по SPI (или скорость тактовый сигналов по SCK). Данные биты имеют смысл только для ведущего, для ведомого они бессмысленны, т.к. скорость приема зависит от частоты SCK ведущего.
Где fosc тактовая частота задающего генератора SPI (обычно она равна частоте тактирования процессора).
Регистр состояния – «SPSR» (адрес в ATmega328P для чтения 0x2D , адрес для записи 0x4D , если у вас другой МК, то найти адреса вы можете в документации)
— 7-ой бит регистра «SPIF »: SPI Interrupt Flag
В бит устанавливается единица , когда передача байта данных по MOSI закончена . Если установлен бит разрешения прерывания SPI (бит SPIE) в регистре SPCR, то установка флага SPIF приводит к генерации запроса на прерывание.
— 6-ой бит регистра «WCOL »: Write COLlision Flag
Бит конфликта записи в регистр SPDR . В бит устанавливается единица , если во время передачи данных выполняется попытка записи в регистр данных SPDR .
— с 5-ого по 1-ый бит – зарезервированные биты, их значение всегда равняется 0-лю
— 0-ой бит «SPI2X »: Double SPI Speed Bit
Бит «двойная скорость передачи данных ». Если в бит записана единица , то скорость передачи данных удвоенная . С помощью сочетания данного бита и 1-ого и 0-ого бита (SPR1 , SPR0 ) регистра SPCR , определяют скорость передачи данных по SPI. .
Регистр данных – «SPDR» (адрес в ATmega328P для чтения 0x2E , адрес для записи 0x4E , если у вас другой МК, то найти адреса вы можете в документации)
Размер регистра, как и выше указанных — 8 бит . Данный регистр используется для передачи и чтения данных по SPI . Помещая данные в него, вы запускаете процесс передачи.
Рассмотрим 3-и примера работы с интерфейсом SPI на ATmega328P в средах:
— Arduino
#include
#include byte x = B11000000 ; //передаваемый бит byte y = B00000000 ; //в переменную y будет записываться принимающий бит void setup () { SPI . begin () ; /* инициализация SPI */ /* инициализация в Arduino это значит Установить единицу в SS Настроить на выход SS (Slave Select или выбор ведомого) - 10 пин Установить 1-цу в следующие битах регистра управления SPCR: В 4-ый бит (имя бита - MSTR) - режим ведущий включить В 6-ой бит (имя бита - SPE) - подключить SS, MOSI, MISO и SCK К портам PB4,PB5,PB6,PB7 (10,11,12,13 пин в ардуино) Настроить следующие пины на выход: SCK (Serial Clock или тактовый сигнал) - 13 пин MOSI (Master Out Slave In или данные от ведущего) - 11 пин В резульлтате иницилизации через SPI.begin() Конфигурация интерфейса SPI у нас выходит следующая: Очередность битов "MSB", т.е. сначала передается старший разряд, а далее младший Синхронизация ведется по присутствию импульса Или тактовый сигнал в состоянии ожидания равен 0-лю Сигнал синхронизации определяется по нарастающему фронту SCK (два пункта выше указывают, что режим SPI в данном случае - 0) Скорость передачи fosc/4 // МЫ МОЖЕМ ДОИНИЦИЛИЗИРОВАТЬ НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВЯЗИ по SPI сами // порядок следования бит //SPI.setBitOrder(MSBFIRST); // частота обмена данными //SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV4); /* определяется как отношение Fosc к коэфициенту, возможные значения которого: SPI_CLOCK_DIV2 SPI_CLOCK_DIV4 SPI_CLOCK_DIV8 SPI_CLOCK_DIV16 SPI_CLOCK_DIV32 SPI_CLOCK_DIV64 SPI_CLOCK_DIV128 //режим работы SPI //SPI.setDataMode(SPI_MODE0); SPI_MODE0 - нулевой режим SPI_MODE1 - первый режим SPI_MODE2 - второй режим SPI_MODE3 - третий режим void loop () /* РЕАЛИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО SPI */ digitalWrite (10 , HIGH ) ; /* от нас треубется, самому установить в SS 1-цу */ y = SPI . transfer (x ) ; /* передача по битно аргумента (байта) и прием ответа от ведомого уст-ва Передача осуществляется присваиванием регистру SPDR значение байта Причем в это время автоматрически на SCK (13 пин) Формируется тактовый сигнал */ digitalWrite (10 , LOW ) ; /* от нас треубется, самому установить в SS 0-ль */ SPI . end () ; /* отключает шину SPI от 10,11,12,13 пинов */ /* Т.е. устанавливает 0-оль в 6-ой бит (SPE) регистра SPCR */ |
— Atmel Studio (AVR GCC)
#include #include #include void
init_spi
()
{
DDRB
=
(1
<<
PB0
)
|
(1
<<
PB1
)
|
(1
<<
PB2
)
|
(0
<<
PB3
)
;
//конфигурируем выводы для SPI (SS, SCK, MOSI - выход, MOSI вход)
// SPI initialization
// SPI Type: Master
// SPI Clock Rate: 2000,000 kHz
// SPI Clock Phase: Cycle Start
// SPI Clock Polarity: Low
// SPI Data Order: MSB First
SPCR
=
(0
<<
SPIE
)
|
(1
<<
SPE
)
|
(0
<<
DORD
)
|
(1
<<
MSTR
)
|
(0
<<
CPOL
)
|
(0
<<
CPHA
)
|
(1
<<
SPR1
)
|
(1
<<
SPR0
)
;
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. Для кого эта статья?
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
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. 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: 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: Теги:
Добавить метки SPI
в Arduino- это один из основных протоколов для обмена данными между платой ардуино и подключенными устройствами. Вместе с I2C и UART этот протокол часто используется для многих типов периферийных устройств, поэтому знание принципов работы SPI необходимо любому инженеру-ардуинщику. В этой статье мы коротко рассмотрим основные принципы, схему взаимодействия и способ подключения SPI датчиков и экранов к Arduino. SPI – это широко применяемый протокол передачи данных между микроконтроллером (Master) и периферийными устройствами (Slave). В наших проекта в качестве Master чаще всего используется плата Arduino. Интерфейс SPI был придуман и использовался компанией Motorola, но со временем стал отраслевым стандартом. Основным плюсом работы с этим интерфейсом считается высокая скорость и возможность подключения нескольких устройств на одной шине данных. Связь по интерфейсу SPI arduino происходит между несколькими устройствами, которые расположены близко друг к другу. Платы Ардуино оснащены отдельными выводами для SPI. Сопряжение происходит при помощи четырех контактов: Взаимодействие устройств начинается, когда на выход SS подается низкий уровень сигнала. Перед началом работы нужно определить: Следующим шагом будет определение, в каком режиме будет происходить передача информации. Выбор режима определяется такими показателями, как полярность и фаза тактового импульса. Если уровень низкий, записывается 0, высокий – 1. Всего существует 4 режима: Изначально в Ардуино заложено, что данные передаются старшим битом вперед, но перед началом нужно уточнить это в документации. Продемонстрировать режимы можно на картинке. Возможно два вида подключения в интерфейсе SPI: независимое и каскадное. В первом случае при подключении Master обращается к каждому Slave индивидуально, во втором случае подключение происходит по очереди, т.е. каскадно. Для каждой модели Ардуино существую свои выводы для SPI. Эти выводы: Последний контроллер Arduino Due расширяет возможности пользователя и позволяет реализовать больше задач, чем на остальных микроконтроллерах. Например, можно автоматически управлять ведомым устройством и автоматически выбирать различные конфигурации (тактовая частота, режим и другие). Для работы на Ардуино создана отдельная библиотека, которая реализует SPI. Перед началом кода нужно добавить #include Основные функции: Преимущества интерфейса SPI: Недостатки: Для реализации проекта нам нужны Ардуино, датчик давления макетная плата и провода. Пример подключения датчика изображен на рисунке. При помощи датчика SCP1000 возможно узнавать такие параметры как давление и температура и передать эти значения через SPI. В первую очередь в коде прописываются регистры датчика при помощи setup(). С устройства возвращаются несколько значений – одно в 19 бит для полученного давления, другое в 16 бит – для температуры. После этого происходит считывание двух температурных байтов и считывание давления в два этапа. Сначала программа берет три старших бита, затем следующие 16 бит, после чего при помощи побитового сдвига происходит объединение этих двух значений в одно. Настоящее давление – это 19-тиразрядное значение, деленное на 4. const int PRESSURE = 0x1F; // первый этап определения давления (выявляются три старших бита) const int PRESSURE_LSB = 0x20; // второй этап, в котором определяются 16 бит для давления const int TEMPERATURE = 0x21; //16 бит для температуры Для чтения данных температуры и преобразования ее в градусы Цельсия используется следующий элемент кода: int tempData = readRegister(0x21, 2); float realTemp = (float)tempData / 20.0; // чтобы определить реальное значение температуры в Цельсиях, нужно полученное число разделить на 20 Serial.print(“Temp Serial.print(realTemp); Считывание битов давления и объединение их: byte pressure_data_high = readRegister(0x1F, 1); pressure_data_high &= 0b00000111; unsigned int pressure_data_low = readRegister(0x20, 2); long pressure = ((pressure_data_high << 16) | pressure_data_low) / 4; //определение давления в Паскалях. Экраны и датчики SPI часто встречаются в проектах ардуино, поэтому нужно знать, как работает этот протокол. В принципе, ничего сложного в подключении SPI устройств нет. Главное, правильно подсоединить провода и использовать методы стандартной библиотеки в нужной последовательности. Для некоторых устройств, например, SD карты или OLED - экранов, альтернатив, в принципе, не существует.
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.
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:
Первые два пункта войдут в первую часть статьи, оставшиеся во вторую.
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.
Описание используемых сигналов:
Эти два бита и образуют номер режима. CPOL является старшим битом, а CPHA - младшим. Иногда в документации к устройству явно не указывают номер режима, но его всегда можно легко определить по временным диаграммам. Также важно понимать, что выборка и установка данных всегда происходят по противоположенным фронтам синхронизирующего сигнала. Например, пусть наше устройство работает в режиме 0 (наиболее распространённый вариант), в таком случае ведомое устройство будет считывать бит данных со входа MOSI по переднему нарастающему фронту синхронизирующего сигнала, а ведущее устройство будет считывать данные от ведомого на входе MISO также по переднему нарастающему фронту. Для большей наглядности я приведу осциллограммы для всех четырёх режимов работы:
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=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.
Все обращения к SPI устройствам Linux ставит в очередь. Протокольные драйверы SPI оперируют явно или не явно сообщениями представленными структурой struct spi_message, которая является мультисегментной SPI транзакцией.
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;
Выводы и контакты SPI
Взаимодействие SPI устройств
Подключение SPI к Ардуино
Библиотека SPI Arduino
Преимущества и недостатки SPI
Пример использования SPI Ардуино в проекте с датчиком давления
Основные элементы скетча программы
Краткие выводы о SPI
