SPI接口的工作原理
IC应用电路图
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描述
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：
- 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。
- 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，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。
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。
/* Port 5 Output Register */
__no_init volatile __io union
{
unsigned char PO5;
struct
{
unsigned 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 0x80 example: 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 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 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 = 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 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 byte
{
if (SPIData & 0x80) // Check for a 1
SPI_MOSI = 1; // and set the MOSI line appropriately
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 & 0x80)
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)
{
unsigned 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 (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
SPIData = 0;
for (SPICount = 0; SPICount < 8; SPICount++) // 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)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 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 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 1 data[2] = attribute byte 1 data[3] = character byte 2 data[4] = attribute byte 2 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 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 msb
{
volatile unsigned int Index = 0x0001; // Index for lookup into
// data[1..960]
spiWriteReg(DM_ADDRH_WRITE,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 (data[Index] == 0xFF) { // Check for the break character
break; } // and finish if found
spiWriteRegAutoIncr(data[Index]); // 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
spiWriteRegAutoIncr(0xFF); // Write the "escape character" to end AutoIncrement
// mode
spiWriteReg(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
// msb
spiWriteReg(DM_ADDRL_WRITE,0x00);
spiWriteReg(DM_MODE_WRITE,0x41); // MAX7456 WriteReg(0x04,0x41) "Character Memory
// Mode"; 0x40:Perform 8-bit operation; 0x01:Auto-
// Increment
Index = 0x0002;
do
{
if (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：
- 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。
- 字符存储器地址高位 = 0x09。包括了即将写入字符的地址。
- 字符存储器地址低位 = 0x0A。
- 字符存储器数据输入 = 0x0B。
- 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 display
spiWriteReg(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 shape
for(Index = 0x00; Index < 0x36; Index++)
{
spiWriteReg(FM_ADDRL_WRITE,Index); // Write the address within the shadow RAM
spiWriteReg(FM_DATA_IN_WRITE,data[Index + 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(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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