SPI接口的工作原理.doc

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1、SPI接口的工作原理发布: | 作者: | 来源: mahuaxiao | 查看:1979次 | 用户关注：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MAX7456随屏显示(OSD)

2、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

3、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

4、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C程序 下文给出的C程序已针对MAXQ2000微控制器进行了编译，用于MAX7456评估(EV)板。本文给出了完整的程序例程。程序是自述文档，几乎没有附加说明。C程序可从以下文件获得：spi.c和MAX7456.h。以下程序使用了SPI协议的标准定义，MAXQ2

5、000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。SDIN对应于MOSI (主机出从器件入)。SDOUT对应于MOSI (主机入从器件出)。SCLK对应于CK。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 union{ unsigned char PO5; struct unsigned char bit0 : 1; unsigned

6、 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

7、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 BIT

8、6 0x40#define BIT7 0x80example: BIT_SET(PO5,BIT0); BIT_CLR(PO5,BIT6);宏 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 CSchip select#define SPI_MOSI PO5_bit.bit5 / PO5_bit.bit5 = MOSImaster out slave in, / data to MAX7456#define SPI_MISO PI5_bit.bit7 /

9、 PO5_bit.bit7 = MISOmaster 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

10、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 data unsi

11、gned char SPIData; / Define a data structure for the SPI data SPI_CS = 1; / Make sure we start with active-low CS high SPI_CK = 0; / and CK low SPIData = regAddr; / Preload the data to be sent with Address SPI_CS = 0; / Set active-low CS low to start the SPI cycle / Although SPIData could be impleme

12、nted as an int, / resulting in one / loop, the routines run faster when two loops / are implemented with / SPIData implemented as two chars. for (SPICount = 0; SPICount 8; SPICount+) / Prepare to clock out the Address byte if (SPIData & 0x80) / Check for a 1 SPI_MOSI = 1; / and set the MOSI line app

13、ropriately else SPI_MOSI = 0; SPI_CK = 1; / Toggle the clock line SPI_CK = 0; SPIData = 1; / Rotate to get the next bit / and loop back to send the next bit / Repeat for the Data byte SPIData = regData; / Preload the data to be sent with Data for (SPICount = 0; SPICount 8; SPICount+) if (SPIData & 0

14、x80) SPI_MOSI = 1; else SPI_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) unsi

15、gned char SPICount; / Counter used to clock out the data unsigned char SPIData; SPI_CS = 1; / Make sure we start with active-low CS high SPI_CK = 0; / and CK low SPIData = regAddr; / Preload the data to be sent with Address and Data SPI_CS = 0; / Set active-low CS low to start the SPI cycle for (SPI

16、Count = 0; SPICount 8; SPICount+) / Prepare to clock out the Address and Data if (SPIData & 0x80) SPI_MOSI = 1; else SPI_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 SPIData = 0; for (SPICount = 0; SPICount 8; SPICount+)

17、 / Prepare to clock in the data to be read SPIData =1; / Rotate the data SPI_CK = 1; / Raise the clock to clock the data out of the MAX7456 SPIData += SPI_MISO; / Read the data bit SPI_CK = 0; / Drop the clock ready for the next bit / and loop back SPI_CS = 1; / Raise CS return (unsigned char)SPIDat

18、a); / 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 MAX7456s autoincrement mode */void spiWriteRegAutoIncr(const unsigned char regData) unsigned char SPICou

19、nt; / Counter used to clock out the data unsigned char SPIData; / Define a data structure for the SPI data. SPI_CS = 1; / Make sure we start with active-low CS high SPI_CK = 0; / and CK low SPIData = regData; / Preload the data to be sent with Address and Data SPI_CS = 0; / Set active-low CS low to

20、start the SPI cycle for (SPICount = 0; SPICount 8; SPICount+) / Prepare to clock out the Address and Data if (SPIData & 0x80) SPI_MOSI = 1; else SPI_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

21、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 dataDATA_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： data0 = ignored (contains a command byte used by the EV kit GUI software)data1 = character byte 1data2 = attribute byte 1data3 = character byte 2data4 = attribute byte 2

22、etc.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 data1.960 / contains char+attr bytes /

23、(optionally terminated by 0xFF data) / First, write data1,3,5,. Character plane; / MAX7456 WriteReg(0x05,0x41) / Character Memory Address High; / 0x02:Attribute bytes; / 0x01:character memory address msb volatile unsigned int Index = 0x0001; / Index for lookup into / data1.960 spiWriteReg(DM_ADDRH_W

24、RITE,0x00); / initialise the Display Memory high-byte spiWriteReg(DM_ADDRL_WRITE,0x00); / and the low-byte spiWriteReg(DM_MODE_WRITE ,0x41); / MAX7456 WriteReg(0x04,0x41) Display Memory Mode; / 0x40:Perform 8-bit operation; 0x01:AutoIncrement Do / Loop to write the character data if (dataIndex = 0xF

25、F) / Check for the break character break; / and finish if found spiWriteRegAutoIncr(dataIndex); / Write the character Index += 2; / Increment the index to the next character, / skipping over the attribute while(Index 0x03C1); / 0x03C1 = 961 / and loop back to send the next character spiWriteRegAutoI

26、ncr(0xFF); / Write the escape character to end AutoIncrement / mode spiWriteReg(DM_ADDRH_WRITE,0x02); / Second, write data2,4,6,. / Attribute plane; MAX7456 / WriteReg(0x05,0x41) / Character Memory Address High; / 0x02:Attribute bytes; 0x01:character memory address / msb spiWriteReg(DM_ADDRL_WRITE,0

27、x00); spiWriteReg(DM_MODE_WRITE,0x41); / MAX7456 WriteReg(0x04,0x41) Character Memory / Mode; 0x40:Perform 8-bit operation; 0x01:Auto- / Increment Index = 0x0002; do if (dataIndex = 0xFF) break; spiWriteRegAutoIncr(dataIndex); Index += 2; while(Index 0x03C1); spiWriteRegAutoIncr(0xFF);写字符存储器程序 向字符存储

28、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

29、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，data1包括即将写入字符的地址，data2.54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

30、，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 display

31、 spiWriteReg(FM_ADDRH_WRITE,data1); / 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 shape for(Index = 0x00; Index 0x36; Index+) sp

32、iWriteReg(FM_ADDRL_WRITE,Index); / Write the address within the shadow RAM spiWriteReg(FM_DATA_IN_WRITE,dataIndex + 2); / Write the data to the shadow RAM spiWriteReg(FM_MODE_WRITE, 0xA0); / MAX7456 Font Memory Mode write 0xA0 triggers / copy from 64-byte Shadow RAM to NV array. while (spiReadReg(ST

33、ATUS_READ) & 0x20) != 0x00); / Wait while NV Memory status is BUSY / MAX7456 0xA0 status bit 0x20: NV Memory Status / Busy/ReadyMAX7456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 MAX7456s autoincrement mode */ / MAX745

34、6 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#

35、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 VID

36、EO_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

37、 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#

38、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 0

39、xA0#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。