Интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) служит для обмена данными с периферийными устройствами. В качестве таких устройств могут выступать простые сдвиговые регистры или буквенно-цифровые модули индикации, а также сложные микропроцессорные системы или системы регистрации данных. Многие компании-изготовители предлагают большой выбор устройств с интерфейсом SPI.
В случае обмена данными по интерфейсу SPI микроконтроллер работает в режиме ведущего устройства (Master), взаимодействуя с одним или несколькими ведомыми блоками (Slave). Схема передачи данных по интерфейсу SPI микроконтроллеров AVR/PIC показана на рис. 7.6 (MSB – старший разряд, a LSB – младший разряд передаваемого байта).
Рис. 7.6. Схема передачи данных по интерфейсу SPI микроконтроллеров AVR
Ведущее устройство берет на себя активную часть обмена данными, вызывая передачу и управляя процессом. Ведомое устройство не может само быть активным. Оно принимает и передает данные только тогда, когда происходит его активизация со стороны ведущего устройства по линии /SS. Ведущее устройство также генерирует такт для передачи по выходной линии SCK. Для ведомого блока вывод SCK является входом, через который он получает от Master-устройства тактирующие сигналы.
Если ведомое устройство активизируется ведущим по линии /SS, то начинается обмен данными: Master записывает подлежащий передаче байт в свой сдвиговой регистр данных (для микроконтроллеров AVR – регистр SPDR, для микроконтроллеров PIC – регистр SSPBUF). С помощью каждого выработанного тактового импульса Master перемещает один бит данных на выход MOSI/SDO, a Slave одновременно в обратном направлении передает один бит на вход MISO/SDI ведущего блока. Таким образом, в течение цикла SPI, состоящего из восьми тактовых импульсов, Master и Slave обмениваются байтом данных.
По окончании передачи данных в регистре состояния интерфейса SPI устанавливается флаг соответствующего запроса на прерывание. Этот флаг указывает на окончание передачи и вызывает запрос на прерывание после того как в регистре управления SPI будет установлен разряд разрешения на прерывание от интерфейса SPI. В режиме "Master" текущая передача данных может быть преждевременно завершена выдачей в линию /SS сигнала лог. 1.
К интерфейсу SPI ведущего устройства можно подключать несколько ведомых устройств (пример для микроконтроллеров AVR – на рис. 7.7), однако активным будет только то из них, на вход /SS которого будет подан уровень лог. 0. Выходы MISO незадействованных ведомых блоков находятся в высокоомном состоянии и не влияют на процесс передачи данных.
В примере на рис. 7.7 устройство G2, с точки зрения ведущего устройства, является только блоком передачи (например, ЦАП с интерфейсом SPI), а устройство G3 – только блоком приема.
Рис. 7.7. Подключение нескольких ведомых устройств к одному ведущему по SPI (для AVR)
В микроконтроллерах AVR в качестве линий SPI используются выводы порта В (табл. 7.2). В микроконтроллерах PIC для последовательной синхронной передачи данных используется порт MSSP, работающий в режиме интерфейса SPI или I2С. Линиям SPI соответствуют выводы порта А и С (табл. 7.2).
Таблица 7.2. Распределение выводов портов для линий интерфейса SPI
Линия
Микроконтроллеры AVR
Микроконтроллеры PIC
/SS
Разряд 4 порта В
Зависит от модели (например, разряд 5 порта А)
MOSI (SDO)
Разряд 5 порта В
Разряд 5 порта С
MISO(SDI)
Разряд 6 порта В
Разряд 4 порта С
SCK
Разряд 7 порта В
Разряд 3 порта С
Регистры управления и состояния SPI в микроконтроллерах AVR
Регистр управления SPCR интерфейса SPI в микроконтроллерах AVR (рис. 7.8) находится в области ввода/вывода по адресу 0x0D (адресу 0x2D в SRAM).
SPIE
SPE
DORD
MSTR
CPOL
CPHA
SPR1
SPR0
Рис. 7.8. Регистр управления SPCR микроконтроллеров AVR
По окончании передачи данных через интерфейс SPI аппаратная часть устанавливает в регистре состояния SPCR разряд SPIF (флаг прерываний от интерфейса SPI). Этот флаг указывает на завершение передачи, и приводит к запросу на прерывание как только в регистре управления SPCR будет установлен разряд SPIE, а в регистре состояния SREG – флаг общего разрешения прерываний I.
Разряд SPE активизирует интерфейс SPI (лог. 1) или отключает его (лог. 0). После поступления сигнала сброса этот разряд принимает значение лог. 0, и тем самым система SPI отключается.
Если разряд DORD содержит лог. 0, то сначала будет передан старший разряд байта данных. При DORD = 1 первым передается младший разряд.
Когда разряд MSTR содержит лог. 0, то система SPI определяется как ведомая (Slave), а при MSTR = 1 она будет определена как ведущая (Master). Когда линия /SS в режиме Master сконфигурирована как вход, то разряд MSTR при низком уровне сигнала на выводе /SS сбрасывается в лог. 0, и тем самым интерфейс SPI определяется как Slave. В этом случае в регистре состояния устанавливается флаг SPIF.
Когда разряд CPOL содержит лог. 0, то на выходе SCK в неактивном состоянии находится сигнал низкого уровня. Если CPOL = 1, то на SCK в неактивном состоянии находится сигнал высокого уровня. С помощью этого разряда, а также разряда СРНА (выбор фазы синхронизации) устанавливается один из четырех режимов передачи данных по интерфейсу SPI (табл. 7.3).
Разряды SPR1 и SPR0 при работе интерфейса SPI в режиме Master служат для выбора тактовой частоты для линии SCK. Если система SPI сконфигурирована как Slave, то эти разряды не имеют никакого значения. Взаимосвязь между разрядами SPR1, SPR0 и частотой импульсов в линии SCK показана в табл. 7.4.
Таблица 7.3. Режимы передачи данных по интерфейсу SPI в МК AVR
CPOL
СРНА
Описание режима
Master переводит линию /SS в состояние лог. 0. Для соответствующего ведомого блока передача начинается по ниспадающему фронту этого сигнала. Его выход MISO переходит из высокоомного в активное состояние, и старший разряд байта, находящегося в его регистре данных SPDR, появляется на выходе MISO.
Собственно передачу данных Master начинает записью подлежащего передаче байта данных в свой регистр SPDR. Вслед за этим на выходе MOSI ведущего блока появляется старший разряд. На протяжении первой половины первого тактового импульса тактовая линия еще остается в состоянии покоя для того, чтобы обеспечить стабильную установку на соответствующем входе бита данных.
По нарастающему фронту первого и каждого последующего тактового импульса принимаются биты, расположенные на входах Master и Slave, а по ниспадающему фронту следующий бит сдвигается дальше. После восьмого тактового импульса передача данных завершена, флаги SPIF в регистрах состояния ведущего и ведомого блоков установлены, а содержимое сдвиговых регистров будут перенесено в соответствующие приемные буферы. Выход MOSI ведущего блока возвращается в состояние покоя (лог. 1), а на выходе MISO ведомого блока, как правило, находится старший разряд байта, только что принятого ведущим блоком.
Одновременно со сбросом линии /SS в исходное состояние (лог. 1) Master завершает передачу, Slave становится неактивным, а его выход MISO переходит в высокоомное состояние
Аналогично описанному выше случаю с той разницей, что состояние покоя тактовой линии здесь устанавливается при лог. 1, биты данных принимаются по первому и каждому последующему тактовому импульсу, а сдвиг осуществляется по нарастающему фронту сигнала
Для того чтобы при этом режиме начать передачу данных, Master, как и в первом случае, переводит линию /SS в состояние лог. 0. Блок Slave разблокирован, и его выход MISO переходит из высокоомного в активное состояние. Логический уровень на MISO для этого случая не определен, но, как правило, на MISO находится младший разряд байта, переданного во время предыдущей передачи от Slave к Master. Собственно передачу данных Master в этом режиме начинает посредством записи байта данных, подлежащего передаче, в регистр SPDR. Для ведомого блока передача начинается по нарастающему фронту тактового сигнала. Старшие разряды подлежащих передаче байтов в ведущем и ведомом блоках с помощью нарастающего фронта первого тактового импульса устанавливаются на выходе MOSI ведущего блока (выходе MISO ведомого блока). По ниспадающему фронту первого и каждого последующего тактового импульса они переносятся на входы Master и Slave, а по нарастающему фронту следующий разряд сдвигается.
После восьмого тактового импульса передача данных завершается, устанавливаются флаги SPIF в регистрах состояния интерфейсов Master и Slave, а содержимое их сдвиговых регистров переносится в соответствующие буферы приема. Выход MOSI ведущего блока возвращается в состояние покоя (лог. 1), на выходе MISO ведомого блока остается младший разряд байта, только что переданного ведущему блоку. Одновременно с возвратом в исходное состояние линии /SS (лог. 1) Master завершает передачу в целом, Slave становится неактивным, а его выход MISO переходит в высокоомное состояние.
Аналогично описанному выше случаю стой разницей, что состоянием покоя тактовой линии здесь является лог. 1, а биты данных сдвигаются по ниспадающему фронту первого и каждого последующего тактового импульса, а принимаются по нарастающему фронту
Таблица 7.4. Частота импульсов в линии SCK в зависимости от разрядов SPR1, SPR0
SPR1
SPR0
Частота импульсов в линии SCK
Частота системной синхронизации / 4
Частота системной синхронизации /16
Частота системной синхронизации / 64
Частота системной синхронизации /128
Регистр состояния SPSR интерфейса SPI в микроконтроллерах AVR расположен в области ввода/вывода по адресу 0х0Е (0x2E в SRAM). В этом регистре используются только разряды 6 и 7:
разряд 6 – флаг WCOL – устанавливается в том случае, когда во время передачи данных через интерфейс SPI предпринимается попытка записи в регистр данных SPI, что приводит к разрушению только что переданного байта данных. По этой причине текущая передача данных доводится до завершения, а новый байт не записывается в сдвиговый регистр интерфейса SPI. Флаг WCOL должен быть сброшен пользователем вручную посредством считывания регистра состояния и последующего обращения к регистру данных интерфейса SPI;
разряд 7 – флаг SPIF – указывает на завершение передачи и вызывает запрос на прерывание, как только в регистре управления SPCR будет установлен разряд SPIE, а в регистре состояния SREG – разряд I. Когда линия /SS в режиме Master сконфигурирована как вход, то при низком уровне сигнала на выводе линии /SS также будет установлен флаг SPIF. Флаг SPIF сбрасывается автоматически аппаратной частью при выполнении подпрограммы обработки прерывания от интерфейса SPI. Альтернативно, сброс может быть выполнен вручную посредством считывания регистра состояния SPSR и последующего обращения к регистру данных интерфейса SPI.
