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电路设计->基础电路图->其他基础电路图->SPI接口的工作原理

SPI接口的工作原理

作者:dolphin时间:2012-07-31

MAX7456随屏显示(OSD)发生器具有SPI兼容接口,本应用笔记介绍了SPI接口的工作原理,文中还包含在微控制器内逐位模拟SPI接口的控制器C程序。

MAX7456串行接口

MAX7456单通道单色随屏显示(OSD)发生器预装了256个字符和图形,并可通过SPI接口在线编程。通过SPI兼容串行接口可以设置工作模式、显示存储器以及字符存储器。状态(STAT)寄存器、显示存储器数据输出(DMDO)寄存器和字符存储器数据输出(CMDO)寄存器都可读,可以对其进行写操作和读操作。关于MAX7456寄存器及存储器结构的详细信息请参考数据资料和应用笔记4117,"使用MAX7456存储器和评估板文件生成定制字符和图形"。MAX7456支持高达10MHz接口时钟(SCLK)。图1为写数据时序,图2是从器件读数据的时序。写寄存器时,拉低/CS可使能串行接口。在SCLK的上升沿从SDIN读取数据。当/CS变为高电平时,数据锁存到输入寄存器。如果传输过程中/CS变高,程序终止(即数据不写入寄存器)。/CS变低之后,器件等待从SDIN读入第一个字节,以确定正在执行的数据传输类型。读寄存器时,如上文所述,拉低/CS。地址在SCLK的上升沿锁入SDIN。然后数据在SCLK的下降沿从SDOUT输出。SPI命令长度为16位:最高8位(MSB)代表寄存器地址,最低8位(LSB)代表数据(图1和2)。这种格式有两个例外:

  1. 自动递增写模式,用于访问显示存储器,是一个8位操作(图3)。写数据前必须写入起始地址。对显示存储器执行自动递增写命令时,8位地址由内部产生,串口只需8位数据,如图3所示。
  2. 从显示存储器读字符数据时,若处于16位工作模式,应该是24位(8位地址+16位数据)。

执行读操作时,只需要8位地址,如图2所示。图1. 写操作图2. 读操作图3. 自动递增写操作以下程序使用了SPI协议的标准定义,MAXQ2000处理器为SPI主机,MAX7456是SPI从器件。CS与MAX7456数据资料中的定义相同。前缀SPI_用于全部程序。

数据结构

下文所示数据结构可直接或逐位读写数据,用于独立访问SPI端口。C++和一些较新的C编译器支持位字段联合/结构语句)。

/* Port 5 Output Register */__no_init volatile __io unionunsigned char PO5;structunsigned char bit0          : 1;unsigned char bit1          : 1;unsigned char bit2          : 1;unsigned char bit3          : 1;unsigned char bit4          : 1;unsigned char bit5          : 1;unsigned char bit6          : 1;unsigned char bit7          : 1; PO5_bit;

上述代码将一个单字节赋值给PO5,这是微控制器输出端口的地址。然后将另一个字节赋值给相同的可以逐位访问的存储器地址。因此,可用以下命令直接对该端口进行寻址:PO5 = 0x10;或用以下命令逐位读写:PO5_bit.bit4 = 1;如果该程序用于其它处理器,该结构需要重新编写。如果采用不支持位字段宽度的老式C编译器,可用位布尔运算设置及清除位:

/* Portable bit-set and bit-clear macros. */#define BIT_SET(sfr,bitmask) sfr |= (bitmask)#define BIT_CLR(sfr,bitmask) sfr =~ (bitmask)#define BIT0 0x01#define BIT1 0x02#define BIT2 0x04#define BIT3 0x08#define BIT4 0x10#define BIT5 0x20#define BIT6 0x40#define BIT7 0x80example: BIT_SET(PO5,BIT0); BIT_CLR(PO5,BIT6);

以下是一个简单的编程技巧,使程序更容易移植:用宏定义控制器引脚排列,如下所示。

#define SPI_CS         PO5_bit.bit4                            // PO5_bit.bit4 = active-low CS—chip select#define SPI_MOSI       PO5_bit.bit5                            // PO5_bit.bit5 = MOSI—master out slave in,// data to MAX7456#define SPI_MISO       PI5_bit.bit7                            // PO5_bit.bit7 = MISO—master in slave out,// data from MAX7456#define SPI_CK         PO5_bit.bit6                            // PO5_bit.bit6 = SCK - SPI clock

用以上宏和数据结构可以单独置位及复位每个IO口,命令如下:SPI_CS = 1;改变宏时相应引脚也将改变,将上述代码用于其它设计时,如果SPI口引脚排列不同,或为了实现更理想的PCB布局而对引脚进行重新排列,上述程序非常有用。

单字节写操作程序

单字节写操作(图1)程序如下所示。如果可以保证在程序入口处的/CS和CK线状态正确,可以去掉前两条命令。程序首先发送地址,然后发送数据。进行两次循环。采用单循环及16位数据存储可以简化程序。在MAXQ2000微控制器中执行16位“int”所占用的时间比执行8位“char”长,因此需进行权衡考虑。

/********************************************** spiWriteReg** Writes to an 8-bit register with the SPI port************************************************************/void spiWriteReg(const unsigned char regAddr, const unsigned char regData)unsigned char SPICount;                                       // Counter used to clock out the dataunsigned char SPIData;                                        // Define a data structure for the SPI dataSPI_CS = 1;                                        		// Make sure we start with active-low CS highSPI_CK = 0;                                        		// and CK lowSPIData = regAddr;                                            // Preload the data to be sent with AddressSPI_CS = 0;                                                   // Set active-low CS low to start the SPI cycle // Although SPIData could be implemented as an "int", // resulting in one// loop, the routines run faster when two loops // are implemented with// SPIData implemented as two "char"s.for (SPICount = 0; SPICount  8; SPICount++)                  // Prepare to clock out the Address byteif (SPIData  0x80)                                         // Check for a 1SPI_MOSI = 1;                                             // and set the MOSI line appropriatelyelseSPI_MOSI = 0;SPI_CK = 1;                                                 // Toggle the clock lineSPI_CK = 0;SPIData = 1;                                              // Rotate to get the next bit                                                             // and loop back to send the next bit// Repeat for the Data byteSPIData = regData;                                            // Preload the data to be sent with Datafor (SPICount = 0; SPICount  8; SPICount++)if (SPIData  0x80)SPI_MOSI = 1;elseSPI_MOSI = 0;SPI_CK = 1;SPI_CK = 0;SPIData = 1;          SPI_CS = 1;SPI_MOSI = 0;

读字节操作程序

读字节操作(图2)程序如下所示,与上述程序类似。首先发送地址,然后发送时钟从MISO读回数据。

/********************************************** spiReadReg** Reads an 8-bit register with the SPI port.* Data is returned. *******************************************************/unsigned char spiReadReg (const unsigned char regAddr)unsigned char SPICount;                                       // Counter used to clock out the dataunsigned char SPIData;                  SPI_CS = 1;                                                   // Make sure we start with active-low CS highSPI_CK = 0;                                                   // and CK lowSPIData = regAddr;                                            // Preload the data to be sent with Address and DataSPI_CS = 0;                                                   // Set active-low CS low to start the SPI cyclefor (SPICount = 0; SPICount  8; SPICount++)                  // Prepare to clock out the Address and Dataif (SPIData  0x80)SPI_MOSI = 1;elseSPI_MOSI = 0;SPI_CK = 1;SPI_CK = 0;SPIData = 1;                                                             // and loop back to send the next bitSPI_MOSI = 0;                                                 // Reset the MOSI data lineSPIData = 0;for (SPICount = 0; SPICount  8; SPICount++)                  // Prepare to clock in the data to be readSPIData =1;                                               // Rotate the dataSPI_CK = 1;                                                 // Raise the clock to clock the data out of the MAX7456SPIData += SPI_MISO;                                        // Read the data bitSPI_CK = 0;                                                 // Drop the clock ready for the next bit                                                             // and loop backSPI_CS = 1;                                                   // Raise CSreturn ((unsigned char)SPIData);                              // Finally return the read data

自动递增模式下的写字节操作程序

自动递增模式下的写字节操作(图3)程序如下所示,与和上述单字节写程序类似。首先发送地址,然后发送时钟从MISO读回数据。

/************************************************ spiWriteRegAutoIncr** Writes to an 8-bit register with the SPI port using the MAX7456's autoincrement mode*************************************************/void spiWriteRegAutoIncr(const unsigned char regData)unsigned char SPICount;                                       // Counter used to clock out the dataunsigned char SPIData;                                        // Define a data structure for the SPI data.SPI_CS = 1;                                                   // Make sure we start with active-low CS highSPI_CK = 0;                                                   // and CK lowSPIData = regData;                                            // Preload the data to be sent with Address and DataSPI_CS = 0;                                                   // Set active-low CS low to start the SPI cyclefor (SPICount = 0; SPICount  8; SPICount++)                  // Prepare to clock out the Address and Dataif (SPIData  0x80)SPI_MOSI = 1;elseSPI_MOSI = 0;SPI_CK = 1;SPI_CK = 0;SPIData = 1;                                                             // and loop back to send the next bit   SPI_MOSI = 0;                                                 // Reset the MOSI data line

自动递增模式下写显示存储器的程序

自动递增模式下写显示存储器的程序如下,程序使用称为 "data"的全局变量数组。定义如下:

extern volatile unsigned char data[DATA_BUF_LENGTH];DATA_BUF_LENGTH = 968

调用程序时,data[]包含显示存储器内容,格式如下:

data[0] = ignored (contains a command byte used by the EV kit GUI software)data[1] = character byte 1data[2] = attribute byte 1data[3] = character byte 2data[4] = attribute byte 2etc.

自动递增模式通过写0xFF结束,所以该模式下不能向显示寄存器写0xFF。如果需要写OxFF,可以采用单字节写指令。

/************************************************** spiWriteCM** Writes to the Display Memory (960 bytes) from "data" extern.* 960 = 16 rows × 30 columns × 2 planes char vs. attr screen-position-indexed memory*****************************************************/void spiWriteCM()                                               // On entry: global data[1..960]// contains char+attr bytes   // (optionally terminated by 0xFF data)// First, write data[1,3,5,...] Character plane;// MAX7456 WriteReg(0x05,0x41)// "Character Memory Address High";// 0x02:Attribute bytes; // 0x01:character memory address msbvolatile unsigned int Index = 0x0001;                        // Index for lookup into// data[1..960]                    spiWriteReg(DM_ADDRH_WRITE,0x00);                            // initialise the Display Memory high-bytespiWriteReg(DM_ADDRL_WRITE,0x00);                            // and the low-bytespiWriteReg(DM_MODE_WRITE ,0x41);                            // MAX7456 WriteReg(0x04,0x41) "Display Memory Mode";// 0x40:Perform 8-bit operation; 0x01:AutoIncrementDo                                                           // Loop to write the character dataif (data[Index] == 0xFF)                                 // Check for the break characterbreak;                                              // and finish if foundspiWriteRegAutoIncr(data[Index]);                         // Write the characterIndex += 2;                                               // Increment the index to the next character, // skipping over the attribute   while(Index  0x03C1);                                     // 0x03C1 = 961// and loop back to send the next characterspiWriteRegAutoIncr(0xFF);                                   // Write the "escape character" to end AutoIncrement // modespiWriteReg(DM_ADDRH_WRITE,0x02);                            // Second, write data[2,4,6,...] // Attribute plane; MAX7456// WriteReg(0x05,0x41)// "Character Memory Address High"; // 0x02:Attribute bytes; 0x01:character memory address // msbspiWriteReg(DM_ADDRL_WRITE,0x00);spiWriteReg(DM_MODE_WRITE,0x41);                             // MAX7456 WriteReg(0x04,0x41) "Character Memory // Mode"; 0x40:Perform 8-bit operation; 0x01:Auto-// IncrementIndex = 0x0002;doif (data[Index] == 0xFF)break;spiWriteRegAutoIncr(data[Index]);Index += 2; while(Index  0x03C1);spiWriteRegAutoIncr(0xFF);

写字符存储器程序

向字符存储器写一个字符的程序如下,每个字符占用18行,每行12像素,共216像素。由于每个字节定义4个像素,因此定义每一个字符需要54字节。字符数据位于程序入口处的data[] (与上述写显示存储器的程序类似)。写字符存储器时需要进行一些附加说明,存储器为非易失,因此,写存储器大约需要12ms,由MAX7456执行。只有完整的54字节字符才可以写入字符存储器。该器件包含一个54字节映射存储器。首先把需要写入的字符数据写入映射存储器,然后器件将该数据装载到NVM字符存储器。用来写字符存储器的寄存器有以下几种:

  1. 字符存储器模式 = 0x08。向寄存器写0xA0,使器件把映射存储器的内容装载到NVM字符存储器。
  2. 字符存储器地址高位 = 0x09。包括了即将写入字符的地址。
  3. 字符存储器地址低位 = 0x0A。
  4. 字符存储器数据输入 = 0x0B。
  5. Status = 0xA0,读取该寄存器以决定何时可以写入字符存储器。

在程序入口处,data[1]包括即将写入字符的地址,data[2...54]包括字符数据。向NVM字符存储器写字符时,首先写字符地址。然后将每个字节写入映射存储器。写映射存储器时没有自动递增模式,所以每次写操作必须写入映射存储器地址。向字符存储器模式寄存器写0xA0,可以把映射存储器的内容装载到NVM字符存储器。然后器件将状态寄存器第5位置高,表明不能写入字符存储器。完成后,器件将该位复位至低。数据从映射存储器移向字符存储器时不能写映射存储器。为了避免出现显示器闪烁,在写字符存储器之前程序禁止了OSD。

/***************************************** spiWriteFM** Writes to the Character Memory (54 bytes) from "data" extern******************************************/void spiWriteFM()unsigned char Index;spiWriteReg(VIDEO_MODE_0_WRITE,spiReadReg(VIDEO_MODE_0_READ)  0xF7);                   // Clear bit 0x08 to DISABLE the OSD displayspiWriteReg(FM_ADDRH_WRITE,data[1]);                       // Write the address of the character to be written// MAX7456 glyph tile definition// length = 0x36 = 54 bytes  // MAX7456 64-byte Shadow RAM accessed // through  FM_DATA_.. FM_ADDR.. contains a single // character/glyph-tile shapefor(Index = 0x00; Index  0x36; Index++)spiWriteReg(FM_ADDRL_WRITE,Index);                    // Write the address within the shadow RAMspiWriteReg(FM_DATA_IN_WRITE,data[Index + 2]);        // Write the data to the shadow RAMspiWriteReg(FM_MODE_WRITE, 0xA0);                          // MAX7456 "Font Memory Mode" write 0xA0 triggers// copy from 64-byte Shadow RAM to NV array.while ((spiReadReg(STATUS_READ)  0x20) != 0x00);          // Wait while NV Memory status is BUSY// MAX7456 0xA0 status bit 0x20: NV Memory Status// Busy/~Ready

MAX7456头文件

下面列出了MAX7456的头文件,以下代码决定了器件的寄存器映射。

/*********************************************** spiWriteRegAutoIncr** Writes to an 8-bit register with the SPI port by using the MAX7456's autoincrement mode*******************************************/// MAX7456 VIDEO_MODE_0 register#define VIDEO_MODE_0_WRITE              0x00#define VIDEO_MODE_0_READ               0x80#define VIDEO_MODE_0_40_PAL             0x40#define VIDEO_MODE_0_20_NoAutoSync      0x20#define VIDEO_MODE_0_10_SyncInt         0x10#define VIDEO_MODE_0_08_EnOSD           0x08#define VIDEO_MODE_0_04_UpdateVsync     0x04#define VIDEO_MODE_0_02_Reset           0x02#define VIDEO_MODE_0_01_EnVideo         0x01// VIDEO MODE 0 bitmap#define NTSC                            0x00#define PAL                             0x40#define AUTO_SYNC                       0x00#define EXT_SYNC                        0x20#define INT_SYNC                        0x30#define OSD_EN                          0x08#define VERT_SYNC_IMM                   0x00#define VERT_SYNC_VSYNC                 0x04#define SW_RESET                        0x02#define BUF_EN                          0x00#define BUF_DI                          0x01// MAX7456 VIDEO_MODE_1 register#define VIDEO_MODE_1_WRITE              0x01#define VIDEO_MODE_1_READ               0x81// MAX7456 DM_MODE register#define DM_MODE_WRITE                   0x04#define DM_MODE_READ                    0x84// MAX7456 DM_ADDRH register#define DM_ADDRH_WRITE                  0x05#define DM_ADDRH_READ                   0x85// MAX7456 DM_ADDRL register#define DM_ADDRL_WRITE                  0x06#define DM_ADDRL_READ                   0x87// MAX7456 DM_CODE_IN register#define DM_CODE_IN_WRITE                0x07#define DM_CODE_IN_READ                 0x87// MAX7456 DM_CODE_OUT register#define DM_CODE_OUT_READ                0xB0// MAX7456 FM_MODE register#define FM_MODE_WRITE                   0x08#define FM_MODE_READ                    0x88// MAX7456 FM_ADDRH register#define FM_ADDRH_WRITE                  0x09#define FM_ADDRH_READ                   0x89// MAX7456 FM_ADDRL register#define FM_ADDRL_WRITE                  0x0A#define FM_ADDRL_READ                   0x8A// MAX7456 FM_DATA_IN register#define FM_DATA_IN_WRITE                0x0B#define FM_DATA_IN_READ                 0x8B// MAX7456 FM_DATA_OUT register#define FM_DATA_OUT_READ                0xC0// MAX7456 STATUS register#define STATUS_READ                     0xA0#define STATUS_40_RESET_BUSY            0x40#define STATUS_20_NVRAM_BUSY            0x20#define STATUS_04_LOSS_OF_SYNC          0x04#define STATUS_02_PAL_DETECTED          0x02#define STATUS_01_NTSC_DETECTED         0x01// MAX7456 requires clearing OSD Black Level// register bit 0x10 after reset#define OSDBL_WR                        0x6C#define OSDBL_RD                        0xEC#define OSDBL_10_DisableAutoBlackLevel  0x10

结论和性能

MAX7456评估板采用工作在20MHz时钟的MAXQ2000微控制器,该微控制器包含内部硬件SPI控制器。因此,MAX7456的SPI端口可以全速工作。上述软件SPI程序工作速度低于硬件控制器。不过针对客户缺少硬件SPI端口的工作环境,程序已优化至最简。

SPI是Motorola, Inc.的商标。



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