SPI, I2C Bus

SPI, I2C Bus
Rozhraní mikrořadiče, SPI, IIC bus,..
Přednáška 11 (12)
A438NVS, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha
J. Fischer
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
1
Náplň přednášky
Sériová rozhraní rozhraní SPI, IIC
sběrnice mikroprocesoru
paměti
DMA
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
2
Rozhraní SPI
Rozhraní SPI ( Serial Peripheral Interface) - původ firma Motorola
SPI není typ bus - sběrnice, ale pouze rozhraní (interface) typu bod - bod
master - procesor, generace hod. sig. SCK,
slave - podřízená jednotka, výstup ze SLAVE M ISO - třístavový
pokud je u slave /ss = H, není aktivní výstup MISO
MASTER
SLAVE
8 bit pos. registr
MISO
8 bit pos. registr
MISO
MOSI
MOSI
SPI hod.
generátor
SCK
MOSI - Master Output Slave Input
MISO - Master Input Slave Output
SCK - serial clock
SS
- slave select
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
SCK
+5V
SS
SS
3
SPI, komunikace s nastavením fáze CPHA = 0
nastavení polarita a fáze hodin (4 kombinace)
MOSI výstup
MISO - vstup
CPHA = 0 při čtení nevýhoda - slave musí poskytnout data (MSB) na vodiči
MISO ihned po /ss (slave select), s první hranou SCK se data vzorkují,
s další hranou SCK se vysouvá další bit dat
nastavení - clock phase- CPHA = 0
SCK cyklus
1
2
3
4
5
6
7
8
SCK (CPOL=0)
SCK (CPOL=1)
MOSI
(z master)
MISO
(ze slave)
MSB
6
5
4
3
2
1
LSB
MSB
6
5
4
3
2
1
LSB
SS (do slave)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
4
SPI, komunikace s nastavením fáze CPHA =1
Slave i master poskytnou první data (MSB) až po první hraně hodin SCK,
master i slave čtou MSB s druhou hranou hodin
nastavení - clock phase- CPHA = 1
SCK CYKLUS
1
2
3
4
5
6
7
8
MSB
6
5
4
3
2
1
LSB
MSB
6
5
4
3
2
1
LSB
SCK (CPOL=0)
SCK (CPOL=1)
MOSI
(z master)
MISO
(ze slave)
SS (DO SLAVE)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
5
SPI rozhraní, připojení jednotek slave
Připojení více jednotek slave na jeden master, výběr pomocí vstupu /ss ,
aktivace jednotlivých /ss - programově řízenými výstupy (není součástí
rozhraní SPI). Např. u AT89S8252 ovládání pomocí pinů brány P1, P3,..
Vstup /ss - u slave, obdoba funkce /CS - chip select jako pamětí. Určení, s
kterou jednotkou slave se komunikuje
MOSI
MISO
SCK
MOSI
MISO
SCK
SS
Udd
master
port
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
SS
MOSI
MISO
SCK
0
1
2
slave 1
slave 2
SS
MOSI
MISO
SCK
SS
slave 3
6
SPI – STM32
STM32
SPI 8 nebo 16 bit data
možné navázat
SPI na DMA
( Direct Memory Access)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
7
SPI rozhraní – implementace v STM32F100
SPI rozhraní
NSS
slave select
slave mod - vstup
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
8
SPI rozhraní - implementace
Vysílání MSB – typicky první, případně možnost volby LSB první
8 bitů dat (typicky), v často podpora i 16 bitů dat)
rychlosti komunikace, frekvence SCK - programovatelná, SCK 1 až 10-ky MHz
Možnost programové implementace rozhraní SPI, které nemají rozhraní SPI
- emulace funkce SPI master - programově ovládanými piny brány, při
programové implementaci signál SCK nemusí být synchronní ( nemusí mít
konstantní periodou).
Použití SPI - připojení vstupů. výstupů s posuvnými registry ( ´595),
specializovaných obvodů, pamětí, připojení AD, DA převodníků s SPI,
budiče LED, budiče relé, řadiče LCD,….
Paměti FLASH s rozhraním SPI např. M25P32 - 4 MByte, jako paměť dat,
záznam, černá skříňka,
Karty MMC, SD - možnost komnikace s rozhraním SPI, použití karet jako vnější
paměti dat, adresace po sektorech 512 byte,
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
9
Využití SPI a sériových rozhraní pro programování uP
ISP – „in system programming“
uložení programu a dat do paměti v aplikaci.
Často využito rozhraní SPI (uP ATMEL, AVR, Microchip,…)
Další způsoby programování paměti FLASH- sériové rozhraní JTAG rozhraní
Signály TDI, TDO, TCK, TMS, funkce ladění - On-chip Debug system
JTAG obsahují ATmega 16, 32,..), C8051F020 (Silabs) ,všechny procesory s
jádrem ARM, STM32,…. a většina nových uP, („JTAG – Emulator“)
Dvoudičové ladicí rozhraní – SWD u ARM Cortec- M3, viz STM32VL Discovery
U některých uP možnost programování ISP programu BOOT loader - viz
dřívější výklad na před.
Aktivace vnitřního programu „Boot loader“ na čipu po resetu při. spec.
nastavení úrovní na pinech
Boot loader aktivně komunikuje s rozhraním ( UART, SPI, CAN, USB,...) a
programuje vnitřní paměť
Funkce boot - možnost začít práci s uP bez specializovaného vybavení
(emulátor, vývojový modul,..) pouze s vlastním procesorem
STM32F100 Booat loader – na UART,
STM32F105 Boot – UART, USB, CAN
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
10
Programování paměti FLASH mikroprocesoru pomocí SPI
Řada uP, možnost naprogramování interní FLASH prostřednictvím SPI
ISP -“In - System Programming“ - programování paměti FLASH mikropočítače
v obvodu
Naprogramování mikropočítače v obvodu: aktuálním kódem - program ve
FLASH, kalibrační data, specifická data - jazyková lokalizace přístroje
(varianty hlášení a textů), sériové číslo,…
Data v EEPROM - kalibrační data,...
Možnost výrobní diagnostiky - naprogramování diagnostických programů, s
ISP uvažovat při návrhu obvodu a desek plošných spojů a konektorů
Varianty EEPROM – připojeny na uP, ale možnost programování i bezdrátověRFID technika (výroba STM), není nutnost elektricky připojovat
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
11
Rozhraní IIC bus
Rozhraní - IIC bus, Inter Integrated Circuit Bus, původce, patent , firma Philips
(nyní NXP), označení také I2CBus, původní určení - spotřební elektronika
(radio, TV, video,…)
Typ sběrnice- otevřený kolektor (volba velikosti Rp - výchozí hodnota RP = 2k7 ),
připojení více obvodů, master - slave, možnost - multimaster.
VDD možné též 3,3 V – zavisí na typech obvodu (senzory CMOS – napájení
zásadně 3,3 V, tedy i na IIC bus sloužící pro konfiguraci senzoru)
RP
VDD +5V
RP
SDA
SCL
SCL1
výst.
DATA1
výst.
SCL2
výst.
DATA2
výst.
SDA sériová data
SCL sériové hodiny
SCL
vstup
DATA
vstup
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
SCLK
VST.
DATA
VST.
12
Rozhraní IIC bus - signály
SCL - hodinový signál, generuje master
SDA - data, generuje master nebo slave
Změna stavu SDA při přenosu dat možná pouze při SCL = L
Frekvence SCL - max. 100 kHz Standard speed označení také SM,
400 kHz Fast speed, označení někdy také FM (fast mode),
1 MHz Fast mode plus (označení FM+ )
signál SCL nemusí být synchronní, není určen minimální frekvence (možnost
asynchronní signál), STM32F100 SM a FM, STM32F051 podporuje SM, FM, FM+
SDA
data platná při SCL = 1
SCL
změna dat při SCL = 0
data
stabilní
změna
dat
0
SDA
data
stabilní
1
přenos bitů 0 a 1
SCL
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
13
Rozhraní IIC Ultra Fast mode UFm
Princip přenosu pro SM, FM, FM+ je shodný, odlišnost v rychlosti a velikosti,
budič – otevřený kolektor, proud budiče (SM, FM do 3 mA, FM+ 20 až 30 mA)
Ultra Fast – mode UFm až 3,4 MHz, modifikovaný princip,
Pro režim UFm , signály USCL, USDA „U“ – značí ultrafast
UFm pro rychlý přenos dat z procesoru do periferie, (ne opačně)
není možnost potvrzení od periferie „Acknowledge“
budič – typu Push – Pull – obdoba elementárního invertoru CMOS (viz. před. dříve)
Možnost prodloužení sběrnice UFm pomocí standardních budičů CMOS logiky
(push – pull)
LED driver ( PCU9955 firma NXP)
Otázka velikosti parazitních kapacit, pro vyšší rychlost – potřeba pro jejich
nabití a vybití větších proudů – pro FM+ nižší hodnota odporu pull - up rezistorů
řadič I2C bus pro UFm – umožňuje kombinaci módů FM+ a UFm ( v FM_
konfigurace, zjišťování stavu periferie, přechod na UFm- pouze jednosměrný
přenos dat
(analogie – rychlý diktát, nejdříve příprava, informace,.., pak rychlý přenos dat, pak zpomalení –
kontrola, je vše v pořádku?)
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
14
Rozhraní IIC bus- start, stop
Začátek a konec přenosu zprávy určuje master
začátek přenosu - start, SDA spádová hrana při SCL = H
konec přenosu - stop, SDA náběžná hrana při SCL = H
SDA
start
stop
SCL
S
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
P
15
Rozhraní IIC bus - potvrzení
Příklad - přenos dat ACh z master do slave s adresou 50h
adresace slave (7 bitů + příznak čtení/ zápis, ACK - potvrzení od slave,
přenos dat 8 bitů, ACK - slave, stop - master
obvykle - přenosy více Byte
potvrzení - ACK přijímajícím ( master, nebo slave)
zápis
start
S
SDA
A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
1
0 1 0 0
0
0
R A
W C
K
0
MSB
LSB
A stop
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 C P
K
1 0 1 0 1 1 0 0
SCL
ACK ze slave
adresace
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
data
16
Přenos vícebajtové zprávy po rozhraní IIC
Po start S a vyslání adresy obvodu - možný přenos dat pouze jedním
směrem, čtení nebo zápis, konec přenosu – stop P
Kombinovaný přenos - start - zápis, nový start Sr (bez stop) čtení, konecstop.
master zapisuje do slave
master
S
adr.
W
data
ACK
slave
data
ACK
data
ACK
P
ACK
master čte ze slave
master
slave
S
adr.
R
ACK
ACK data
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
NOT
ACK
ACK
data
P
data
17
Rozhraní IIC Bus, implementace
IIC Bus, adresa i 10 bitová ( prefix + 3 horní bity adresy, pak 8 bitů adresy
Rozhraní IIC bus implementováno v řadě uP , i pod jinými názvy, např. TWI
(Two Wire Interface) a další- z důvodu patentové ochrany.
Možnost programové emulace rozhraní IIC Bus v uP, které nemají IIC Bus,
(příklad ADSP BF 533 pro nastavení obrazového senzoru CMOS)
Využití vstupně výstupních bran - úprava na režim emulace funkce otevřený
kolektor - přepínání výstup - stav L, nebo vstup (viz přednášky dříve- využití
obousměrného výstupu nebo třístavového výstupu jako výstupu s otevřeným
kolektorem).
Otázka: Popište způsob využití pinu vstupně -výstupní brány (která má ve
výstupním režimu pouze PUSH – PULL mód) – pro komunikaci s rozhraním IIC bus.
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
18
Rozhraní IIC v STM32
Master i Slave mode
příjmu dat na DMA
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
19
IIC – STM32
STM32
možnost detekce vlastní adresy (7 nebo 10 bitové adresy), až 2 slave adresy
podpora rychlosti přenosu s frekvencí SCL 100 kHz a 400 kHz
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
20
Rozhraní IIC Bus, použití
Rozšíření a specifikace komunikace - SMBus - System Management Bus
(firmy -Intel, Duracel,….) je nyní v každém PC.
Použití IICBus, mnoho integrovaných obvodů , obvodově nenáročné, pouze
dva vodiče SCL, SDA,
Příklad paměť 24C02, snímače teploty, obvody pro dohled v PC, obvody
spotřební elektroniky, IO expandery, obvody RTC ( Real Time clock), IIC Busnastavení CMOS obrazových senzorů, viz senzory firem Kodak, Micron Aptina, ….)
Další informace:
IIC bus, princip funkce, použití
http://www.standardics.nxp.com/literature/presentations/i2c/pdf/interface.solutions.pdf
SM Bus specifikace
http://www.standardics.nxp.com/literature/books/i2c/pdf/smbus.specification.pdf
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
21
Připojení řadiče emulovaným rozhraním sběrnice
Připojení programovatelných řadičů PPI 8255, 8253,. řadič Ethernet, řadič
CAN,….standardně na sběrnici mikropočítače
? je možno použít čítače / časovače 8253 s obvodem AT89C2051, který nemá
vyvedenu sběrnici? ANO
Programová emulace sběrnice pomocí brány P1 a pinů z brány P3,
programová emulace funkce signálu /RD, /WR, adresy A1, A0 pomocí pinů
brány
Jeden cyklus zápisu nebo čtení - potřeba více instrukcí,
pozor- změna směru brány- vstupní- výstupní mód
Příklad - připojení ext. řadiče Ethernet k ARM7 typu LPC2114, viz, aplik. nota
firmy NXP
A4B38NVS, 2012, J.Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL
22
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement