4 августа 2015 г.

Как работать с SPI - Теория

SPI (Serial Peripheral Interface, последовательный периферийный интерфейс, шина SPI) - Это интерфейс для передачи данных на короткое расстояние, разработанный Motorola. Данные передаются в режиме полного дуплекса (в обе стороны) используя архитектуру ведущий - ведомый (master-slave). SPI также иногда называют четырёхпроводным (four-wire) интерфейсом.

Рис.1 стандартное общение по SPI

В шине SPI используются 4 цифровых сигнала:

  • MOSI : (Master Out Slave In) выход ведущего, вход ведомого.
  • MISO :  (Master In Slave Out) вход ведущего, выход ведомого.
  • SCLK : (Serial Clock) тактовый сигнал.
  • CS или SS :  (Chip Select, Slave Select) выбор микросхемы, выбор ведомого.
Возможны другие имена:
  • MOSI : SIMO, SDO, DO, DOUT, SI, MTSR;
  • MISO : SOMI, SDI, DI, DIN, SO, MRST;
  • SCLK : SCK, CLK;
  • SS : nCS, CS, CSB, CSN, nSS, STE, SYNC.

Шина SPI может работать с 1 ведущим (master) и несколькими ведомыми (slave) устройствами. Если используется одно ведомое устройство, то его вход SS можно заземлить, но только если он не работает по срезу сигнала.

Если использовать несколько ведомых устройств, то нужно повесить подтягивающие резисторы на каждый из выводов SS и убедиться что выходы MISO каждого из устройств подключены через буфер с высокоимпедансным состоянием (практически вывод считается отключённым), это может быть реализовано внутри микросхемы, нужно изучать документацию на конкретное устройство.

Рис.2 Правильное включение нескольких SPI устройств
Если внутри устройств не предусмотрен буфер, то линия MISO будет всегда в состоянии лог.0 или лог.1. (также она может сгореть). Чтобы проверить есть ли внутри нашего устройства буфер, можно прочитать документацию или подключить делитель напряжения, чтобы  на линии MISO была половина напряжения питания, затем замерить настоящее напряжение. Если замеренное нами значение отличается (будет 0 В или напряжение питания),  то буфера нет и его нужно поставить отдельной микросхемой.

Рис.3 Проверка присутствия внутреннего буфера
Передача данных

Ведущий и ведомый передают друг другу данные одновременно. Сперва нужно выбрать ведомое устройство выставив на его входе SS низкий логический уровень (может меняться в зависимости от производителя). Данные для передачи помещаются в сдвиговые регистры. Затем ведущий генерирует синхросигналы частотой около нескольких МГц, ведущий и ведомый начинают посылать друг другу информацию хранимую в сдвиговых регистрах бит за битом начиная со старшего разряда.

Рис.4 Передача данных по SPI
Всего используется 2 сдвиговых регистра, старший бит из одного устройства передаётся в младший бит другого устройства, после чего регистр сдвигает хранимую в нём информацию. Количество бит в 1 пакете данных зависит от конкретного устройства, некоторые производители добавляют возможность изменять длину пакета.

Если нужно передать больше данных, то в регистры записывается новая информация и процесс начинается заново, если передача данных закончилась, ведущий обычно отключает ведомое устройство.

Для настройки интерфейса используются несколько регистров, Можно регулировать частоту, прерывания, порядок бит и многое другое, подробнее об этом можно узнать в документации от Motorola ee.nmt.edu, этот документ взят как стандарт для SPI. Но производители могут не использовать всех настроек описанных там, также биты могут быть расставлены в другой последовательности в отличии от описания Motorola. В любом случае нужно читать документацию на конкретное устройство.

Если про настройку частоты передачи и выбор ведущего/ведомого понятно, то про настройку фазы и полярности тактового сигнала можно расписать подробней.

В принципе, эти настройки можно понять из временной диаграммы:

Рис.4 Временная диаграмма передачи пакета данных при различных настройках

  • CPOL = 0 : сигнал синхронизации начинается с низкого уровня;
  • CPOL = 1 : сигнал синхронизации начинается с высокого уровня;
  • CPHA = 0 : данные записываются по переднему фронту сигнала синхронизации;
  • CPHA = 1 : данные записываются по заднему фронту сигнала синхронизации.

Задний и передний фронты обозначают первое изменение синхросигнала, либо второе. Это не зависит от того в какое состояние переходит линия SCK, это может быть как спадающий так и нарастающий фронт.

В зависимости от состояния битов CPHA и CPOL, различают 4 режима работы SPI интерфейса (0, 1, 2 или 3). Но в зависимости от производителя они часто соответствуют разным состояниям битов, к примеру, у ARM и PIC32MX контроллеров ни 1 из режимов не совпадает.

Есть 2 популярных способа включения нескольких SPI, первый из них подключение "звезда" (daisy chain):

Рис.5 Топология типа "звезда"
В этом случае ведущий выбирает, кому из ведомых устройств следует передать данные.

Может быть такое что ведомые устройства не совместимы друг с другом и им нужны разные настройки, к примеру различная длина пакета, в таком случае используют соединение типа "кольцо":

Рис.6 Топология типа "кольцо"
В данном случае все устройства включаются одновременно и данные передаются последовательно, для того чтобы передать  информацию какому либо устройству, либо от него ведущему, необходимо пройти несколько циклов передачи.

Заключение

SPI интерфейс заслужил свою популярность благодаря простоте и дешевизне. Сейчас его можно встретить в огромном количестве устройств, С его помощью программируются МК, JTAG также реализован на основе SPI. он часто используется для общения с различными микросхемами: Flash память, EEPROM, LCD, SD карты, АЦП, ЦАП микросхемы и многое другое.

Хоть стандарт и описан Моторолой, нет чётких определений и границ для SPI, из-за чего можно встретить различные реализации этого интерфейса, может использоваться другое количество сигнальных линий, количество бит в пакете и другие способы настройки. Так что сперва нужно читать документацию на устройство с которым вы работаете.

Есть готовые реализации SPI "трансиверов" которые можно подключить к компьютеру, что может быть полезно для отладки различных проектов, также новые осциллографы и логические анализаторы могут расшифровывать SPI пакеты.

Преимущества


  • Полнодуплексная передача данных.
  • Более высокая пропускная способность по сравнению с I²C или SMBus.
  • Возможность произвольного выбора длины пакета.
  • более низкие требования к энергопотреблению по сравнению с I²C и SMBus;
  • возможно использование в системах с низко стабильной тактовой частотой;
  • ведомым устройствам не нужен уникальный адрес, в отличие от таких интерфейсов, как I²C, GPIB или SCSI.
  • Используется только четыре вывода, что гораздо меньше, чем для параллельных интерфейсов.
  • Однонаправленный характер сигналов позволяет при необходимости легко организовать гальваническую развязку между ведущим и ведомыми устройствами.
  • Максимальная тактовая частота ограничена только быстродействием устройств, участвующих в обмене данными.


Недостатки


  • Необходимо больше выводов, чем для интерфейса I²C.
  • Ведомое устройство не может управлять потоком данных.
  • Нет подтверждения приема данных со стороны ведомого устройства (ведущее устройство может передавать данные «в никуда»).
  • Нет определенного стандартом протокола обнаружения ошибок.
  • Отсутствие официального стандарта, что делает невозможным сертификацию устройств.
  • По дальности передачи данных интерфейс SPI уступает таким стандартам, как UART и CAN.
  • Наличие множества вариантов реализации интерфейса.
  • Отсутствие поддержки горячего подключения устройств.



Источники:
Документация от Motorola ee.nmt.edu
en.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
dorkbotpdx.org

Комментариев нет :

Отправить комментарий