Модуль последовательного периферийного интерфейса
 Скачать 1.02 Mb.
|
Модуль последовательного периферийного интерфейсаSPIПоследовательный периферийный интерфейс - Serial Peripheral Interface или SPI-интерфейс. 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. Последовательный периферийный интерфейс Интерфейс был разработан компанией Motorola, но в настоящий момент используется всеми производителями. Данный интерфейс отличают простота использования и реализации, высокая скорость обмена и малая дальность действия. При любом обмене данными по SPI одно из устройств является ведущим (Master'ом), а другое ведомым (Slave'ом). Обычно (но не всегда) в роли ведущего выступает микроконтроллер. Ведущий переводит ведомое (периферийное) устройство в активное состояние и формирует тактовый сигнал и данные. В ответ ведомое устройство передает ведущему свои данные. Передача данных в обе стороны (дуплексная) происходит синхронно с тактовым сигналом. SPI представляет собой четырехпроводную синхронную шину, предназначенную для последовательного обмена данными между микросхемами. SPI представляет собой соединение двух (или более) синхронных сдвиговых регистров, которые является центральным элементом любого SPI устройства. Для соединения используется конфигурацию ведущий/ведомый. Рисунок 1 – Структурная схема интерфейса SPI Сигналы, используемые данным интерфейсом, имеют следующее назначение:
Производители микросхем часто используют другие названия для этих сигналов. Альтернативные варианты могут быть такими: MOSI – DO, SDO, DOUT. MISO – DI, SDI, DIN. SCK – CLK, SCLK. SS – CS, SYNC. Рисунок 2 – Временная диаграмма работы интерфейса SPI 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. Контроллер SPI, как правило, реализуется периферийным блоком в MCU. В большинстве чипов он может работать как в режиме ведущего, так и в режиме ведомого. Схемы соединений по SPI Типовая схема соединения устройств по SPI (рисунок 3). К ведущему все ведомые подключаются параллельно, за исключением сигнала выбора ведомого (SSх). Для каждого ведомого необходим отдельный сигнал выбора ведомого (рисунок 3, а). Для сигналов выбора ведомого могут использоваться как специально предназначенные для этого выходы SPI-контроллера, так и порты ввода/вывода общего назначения (GPIO) микроконтроллера. Частным случаем независимого подключения является вариант с одним единственным ведомым (рисунок 3, б). Крайне не рекомендуется подтягивать сигнал SS к земле, чтобы устройство всегда было в активном состоянии, так как ведомое устройство может использовать сигнал SS для инициализации или для других служебных целей. Рисунок 3 – Типовая схема соединения устройств по SPI-интерфейсу а) б) Каскадная схема подключения устройств по SPI (рисунок 4). Рисунок 4 – Каскадная схема соединения устройств по SPI-интерфейсу Основное неудобство при независимом подключении ведомых (см. рисунок 3) в том, что для каждого из ведомых необходим отдельный сигнал SS. Каскадная схема подключения, в зарубежной литературе называемая «daisy-chain» (можно перевести как «гирлянда»), лишена такого недостатка. Как видно из рисунка 4, в каскадной схеме подключения 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 сразу во все устройства, предварительно собрав нужный пакет, объединяющий данные для каждого из устройств в порядке соответствующем физическому порядку соединения. Сокращенный вариант схемы подключения устройств по SPI (рисунок 5). Рисунок 5 – Сокращенная схема соединения устройств по SPI-интерфейсу Сокращенный вариант схемы подключения, когда линия MOSI или MISO не используется, то есть передача данных осуществляется только в одну сторону используются, например, при подключении к микроконтроллеру внешних микросхем ЦАП и АЦП. Протокол обмена по SPI Протокол обмена по SPI аналогичен логике работы сдвигового регистра и заключается в последовательном побитном выводе/вводе данных по определенным фронтам тактового сигнала. Установка данных и выборка осуществляется по противоположным фронтам тактового сигнала. Спецификация SPI предусматривает 4 режима передачи данных, которые отличаются между собой соотношением фазы и полярности тактового сигнала и передаваемых данных. Эти режимы описываются двумя параметрами:
SPI mode 0 CPOL = 0, CPHA=0. Тактовый сигнал начинается с уровня логического нуля. Защелкивание данных выполняется по нарастающему фронту. Смена данных происходит по падающему фронту. Моменты защелкивание данных показаны на рисунках стрелочками Рисунок 6 – Временная диаграмма работы SPI-интерфейса в режиме mode 0. SPI mode 1 CPOL = 0, CPHA=1. Тактовый сигнал начинается с уровня логического нуля. Смена данных происходит по нарастающему фронту. Защелкивание данных выполняется по падающему фронту. Рисунок 7 – Временная диаграмма работы SPI-интерфейса в режиме mode 1. SPI mode 2 CPOL = 1, CPHA=0. Тактовый сигнал начинается с уровня логической единицы. Защелкивание данных выполняется по падающему фронту. Смена данных выполняется по нарастающему фронту тактового сигнала. Рисунок 8 – Временная диаграмма работы SPI-интерфейса в режиме mode 2. SPI mode 3 CPOL = 1, CPHA=1. Тактовый сигнал начинается с уровня логической единицы. Смена данных выполняется по падающему фронту тактового сигнала. Защелкивание данных выполняется по нарастающему фронту. Рисунок 9 – Временная диаграмма работы SPI-интерфейса в режиме mode 3. Современные микроконтроллеры поддерживают все четыре режима работы SPI. Стоит отметить, что:
Рисунок 10 – Осциллограмма режимов работы SPI-интерфейса во всех режимах. На этом рисунке 10 показаны сигналы MOSI (синяя линия) и SCK (жёлтая линия). Во всех случаях передаётся число 0x64. Светлые вертикальные линии показывают момент выборки данных. Цепи SPI в лабораторном стенде UNI-DS3 |