Использование последовательного периферийного интерфейса (SPI) для связи процессора и внешних устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование последовательного периферийного интерфейса (SPI) для связи процессора и внешних устройств

Степаненко С.В., Шевченко О.Г., Meister E.

ДонНТУ - Universitat Stuttgart IPVS

При разработке различных устройств обязательно возникает проблема передачи информации между центральным процессором и периферией. Под периферией можно понимать как дополнительные процессоры, так и различные внешние устройства, например карты памяти. Одним из интерфейсов, который может использоваться для этой цели, является последовательный периферийный интерфейс (англ. Serial Peripheral Interface SPI).

В ходе научного сотрудничества со Штутгартским университетом была поставлена задача исследовать целесообразность применения SPI как основного интерфейса обмена информацией между внутренними устройствами робота.

SPI - популярный интерфейс для последовательного обмена данными между микросхемами. Интерфейс SPI относится к самым широко-используемым интерфейсам для соединения микросхем. Изначально он был представлен компанией Motorola, а в настоящее время используется в продукции многих производителей. Его наименование является аббревиатурой от «Serial Peripheral Interface Bus», что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу «ведущий-подчиненный». SPI также иногда называют четырёхпроводным (англ. four-wire) интерфейсом [1].

В отличие от стандартного последовательного порта (англ. standard serial port), SPI является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая периферия (ведомая) синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (англ. chip select) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участия в передаче по SPI.

В SPI используются четыре цифровых сигнала:

- 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 or Slave Select).

Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 1. Здесь, ведущий шины передает данные по линии MOSI синхронно со сгенерированным им же сигналом SCLK, а подчиненный захватывает переданные биты данных по определенным фронтам принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный отправляет свою посылку данных. Чтобы подчиненная МС принимала и передавала данные, помимо наличия сигнала синхронизации, необходимо также, чтобы линия SS была переведена в низкое состояние. В противном случае, подчиненная МС будет неактивна [2].

центральный процессор интерфейс периферийный

Рисунок 1 - Простейшее подключение к шине SPI

В ходе исследований были разработаны подпрограммы работы с файловыми системами класса FAT на картах памяти типов MMC и SD (включая также карты нового типа высокой ёмкости - SDHC). Данные подпрограммы предназначены для работы на процессоре архитектуры ARM под управлением операционной системы реального времени SymbricatorOS. Эффективность использования SPI доказана возможностью работы с картами памяти на любой частоте, вплоть до верхнего предела рабочей частоты карты в 25 МГц [4].

Было решено, что центральным процессором в роботе будет процессор семейства ADI Blackfin. Данные процессоры также имеют интерфейс SPI, но могут работать только в качестве ведущих устройств. При этом к процессору можно подключить до 8 ведомых устройств, выбор устройства осуществляется низким уровнем на соответствующем выводе ~SS (~CS) [5]. Пример параллельного подключения устройств показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Параллельное подключение устройств к шине SPI

Процессоры семейства Blackfin работают с операционной системой ?Clinux (от англ. MicroController Linux) - Linux-подобной встраиваемой операционной системой для микроконтроллеров, не имеющих блока управления памятью [6].

Была протестирована работа с картами памяти по шине SPI и на этом процессоре. К преимуществам можно отнести простоту управления картами памяти в режиме SPI.

Опробована возможность передачи информации между несколькими устройствами: процессорами Blackfin (ведущий), ARM (ведомый), MSP (ведомый), карта памяти (ведомая).

После всех исследований стало возможным более полно определить достоинства и недостатки интерфейса SPI по сравнению с другими интерфейсами, которые можно использовать для тех же целей (например I2C Inter-Integrated Circuit, CAN - Controller-area network, RS-232 и другие).

Преимущества:

- Полная дуплексная связь.

- Более высокая пропускная способность, чем у I2C или SMBus .

- Гибкость протокола для передачи битов: не ограничивается 8-разрядными словами; произвольный выбор размера сообщений, содержания и цели.

- Чрезвычайно простой аппаратный интерфейс.

- Потребление меньшего количества электроэнергии, чем необходимо для I2C или SMBus благодаря меньшей схеме.

- Отсутствие конфликтных ситуаций общего доступа к шине и связанных с ними режимов обнаружения ошибок.

- Ведомые устройства используют сигнал синхронизации ведущего, и поэтому не нужна высокая точность синхронизации.

- Ведомым устройствам не нужен уникальный адрес - в отличие от I2C, GPIB или SCSI.

- Не нужны приемопередатчики

- Используется намного меньше выводов микросхем, контактов в разъемах и кабелей, чем у параллельных интерфейсов.

- Используется всего один «уникальный» сигнал на устройство (выбор кристалла), остальные являются общими.

- Сигналы однонаправлены, позволяющие легко реализовать гальваническую развязку.

Недостатки:

- Нет аппаратного управления потоком

- Нет аппаратного подтверждения приёма от ведомого устройства

- Поддерживается только одно ведущее устройство

- Нет официального стандарта

- Передача только на короткие расстояния по сравнению с RS-232, RS-485 или CAN-BUS

После анализа недостатков стало ясно, что для поставленной задачи - связи процессора и периферийных устройств робота, интерфейс SPI подходит больше остальных, и было принято решение в дальнейшей разработке проекта для внутренней коммуникации использовать именно интерфейс SPI.

Ссылки на літературу

1. SPI - PICmicro Serial Peripheral Interface [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/spi.pdf

2. Serial Peripheral Interface [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface

3. Последовательный интерфейс SPI [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/spi/index.htm

4. JEDEC MMC 4.4 Standard Pg.7 [Электронный ресурс]: 2008. - Режим доступа: http://www.jedec.org/download/search/JESD84-A44.pdf

5. ADSP-BF561: Blackfin Symmetric Multi-Processor for Consumer Multimedia [Электронный ресурс]: 2009. - Режим доступа:

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADSP-BF561.pdf

6. Open Source Software on the Blackfin Processor [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://docs.blackfin.uclinux.org/doku.php

Размещено на Allbest.ur