Программная реализация протокола SPI на AVR в CodeVisionAVR

Всем коллегам и согражданам привет!
Увлёкся я изучением протоколов. Про реализацию протокола I2C у меня уже была статья на Датагоре. Сегодня поговорим о протоколе SPI. Сразу к делу. Заглянем в Wiki за ёмким определением.В реализации протокола SPI используют четыре цифровых линии для передачи сигналов (в скобках даны вариации обозначений):

CLK (CLOCK, SCLK) — по этой линии передаются тактовые импульсы для ведомых устройств.
DO (MISO, SDO, DO, DOUT, SO) — вход данных МК, эта линия нужна для приема данных от периферии.
DI (MOSI, SDI, DI, DIN, SI) — выход данных МК, передаём данные к ведомому устройству.
CS (SS, nCS, CS, CSB, CSN) — выбор микросхемы, выбор ведомого, в народе «чипселект». Выводов CS может быть несколько, и количество их соответствует тому количеству устройств, с которыми мы хотим общаться на шине.
Хочу особо отметить, что в большинстве случаев этот сигнал (CS) инвертирован. Т.е. если на нем логический «0» — устройство выбрано и с ним можно работать. И наоборот, «1» говорит, что мы не хотим общаться с этим устройством.

С теорией вроде как всё, переходим к практике. Далее раcсказ пойдет только об одном ведомом устройстве на шине SPI. Подключать сразу несколько устройств пока не было необходимости.
Забегая вперед, скажу: для каждого нового устройства на шине нужно будет добавить две небольшие процедуры начала/конца общения.

Я, как обычно, для тестов использую Arduino Nano. Под неё и пишу.

Распишем для начала все дефайны (#define):

// Chip type ATmega328P at 16 MHz
// Пример реализации протокола SPI
// Для примера использована память MX25L8005
#include   // нужно для атмегушки
#include      // нужно для задержек
// пропишем пины
#define spi_cs      PORTB.0 // это D8  ардуино
#define DDR_spi_cs  DDRB. 0
#define spi_do      PINB. 1 // это D9  ардуино
#define DDR_spi_do  DDRB. 1
#define spi_di      PORTB.2 // это D10 ардуино
#define DDR_spi_di  DDRB. 2
#define spi_clk     PORTB.3 // это D11 ардуино
#define DDR_spi_clk DDRB. 3
// задержка
#define SPI_time 10

Сразу можно прописать инициализацию портов:

// главная функция типа:)
void main () {
  DDRB.5=1; // для тестовой лампочки
    // инициализация линий.....
  DDR_spi_clk = 1; // на выход
  DDR_spi_do  = 0; // на вход
  DDR_spi_di  = 1; // на выход
  DDR_spi_cs  = 1; // на выход
  spi_cs=1;        // задираем cs
  delay_us(100); // ждем устаканивания питания

  // тут напишем потом

}

Далее про тактирование и передачу данных. Приведу для примеру картинку, которая раскрывает некоторые понятия, чтоб можно было проще воспринимать коментарии в коде.

На картинке изображена форма тактирующего сигнала CLK. Теперь нужно передать один байт в шину. Тут ничего сложного нет:

// пишем байт в шину
void SPI_wr(char byte) {
  char i;                 // счетчик для цикла
  for (i=0; i<8; i++) {   // цикл на 8 бит
    delay_us(SPI_time/2); // формируем половину паузы
    if (byte & 0x80) spi_di=1; else spi_di=0; // выставляем один бит
    byte<<=1;                                 // двигаем байт 
    delay_us(SPI_time/2); // завершаем паузу
    spi_clk = 1;          // тактовый фронт
    delay_us(SPI_time);   // формируем импульс
    spi_clk = 0;          // тактовый спад
  }
}

Дальше надо научиться принимать байт:

// читаем байт из шины
unsigned char SPI_rd() {
  char i, byte=0;         // переменные для счетчика и байта
  for (i=0; i<8; i++) {   // цикл на 8 бит
    delay_us(SPI_time);   // формируем паузу
    spi_clk = 1;          // формируем фронт
    delay_us(SPI_time/2); // половина импульса    
    if (spi_do) byte++;   // читаем бит и записываем его
    if (i!=7) byte<<=1;   // двигаем байт
    delay_us(SPI_time/2); // завершаем импульс
    spi_clk = 0;
  }
  return byte;            // вернули, что прочли
}

Линии CLK, DI и DO теперь у нас работают нормально. Не стоит забывать и про линию CS. Многие устройства по этой линии начинают и заканчивают процедуру обмена данными. Пропишем:

// начинаем общение
void spi_go() {
  delay_us(SPI_time);  
  spi_clk=0;
  spi_cs =0; 
  delay_us(SPI_time);  
}
// заканчиваем общение
void spi_end() {
  delay_us(SPI_time);
  spi_cs = 1;
  delay_us(SPI_time);
}

У нас готовы основные функции работы с протоколом. Теперь, чтобы передать пару байт в шину, необходимо выполнить четыре функции. Пишу чисто для примера, в основной код это не включается:

  spi_go();     // говорим устройству, что начинаем общаться с ним
  spi_wr(0xAA); // записали в шину байт 0xAA
  spi_wr(0x55); // записали в шину байт 0x55
  spi_end();    // завершили процедуру обмена данными

Как оказалось, ничего сложного нет.

Теперь надо придумать, на чём всё это дело проверить. Порывшись в своих запасах, нашёл микросхему памяти MX25L8005, да ещё и в удобном DIP8 корпусе. Данный чип представляет собой память с интерфейсом SPI на целый мегабайт.

Тест будем проводить по светодиоду, припаянному к D13 ножке Arduino. Алгоритм такой: мы просто считаем ID данной микросхемы и если он совпадет с тем, что указано в даташите, мы включаем тестовый светодиод.
Т.е. передав четыре байта 0×90, 0×00, 0×00 и 0×00 мы должны прочитать с шины два байта, а именно 0xC2 и 0×13. Данный алгоритм охватит все процедуры и функции, описанные ранее. И так, приступим:

  while(1) {
    char t=0;
    delay_ms(100); // ждем немного
    PORTB.5=0; // гасим тестовую лампочку
    // читаем ID микросхемы памяти
    spi_go(); spi_wr(0x90); spi_wr(0x00); spi_wr(0x00); spi_wr(0x00); 
    if (spi_rd()==0xC2) t++; // сразу сравниваем с нужным
    if (spi_rd()==0x13) t++; // сразу сравниваем с нужным
    spi_end();
    if (t==2) PORTB.5=1;  // включаем тестовую лампочку
  } 

Далее закидываем наш исходный код в CodeVision, компилируем и смотрим возможные ошибки. Сразу без ошибок у меня редко выходит написать, но с опытом их становится всё меньше. Вышло три ошибки/опечатки.

Теперь тестим это дело в Протеусе (ISIS 7 Proteus). К сожалению, не оказалось в Протеусе модели/прототипа моей микросхемы памяти. Просто подключил виртуальный осциллограф, чтобы форму сигналов посмотреть:

На картинке видно, что все сигналы около дела.

Обнаружил один недочет — забыл задрать в самом начале чипселект CS. Он ведь инверсный. Поправил.

Теперь настала пора подумать над схемой включения. Из дефайнов видно, что CLK — D8, DO — D9, DI — D10, CS — D11. Нарисовал схему:


Переходим к тесту в железе. Воткнул в беспаечную макетную плату (breadboard) платку ARDUINO NANO (всё ещё пахнет недавним горелым диодом) и микросхему MX25L8005, соединил всё проводками. Теперь долгожданный момент — включаем и… И забыл прошить!

Открываю мой любимый Xloader, заливаю прошивку. И вижу, что светодиод сразу загорелся.


Для проверки менял значения 0xC2 и 0×13 в коде на другие. Результат совпал с ожидаемым — светодиод не загорался.
Вывод. Данный код можно считать полностью рабочим и положить в папку примеров.

Эх, даже ничего не сломалось и не сгорело в этот раз!
Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации