AN-1479: ADuCM4050 の SPI フロー制御モード

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はじめに

シリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）は業界標準の同期シリアル・リンクで、A/Dコンバータ（ADC）、D/Aコンバータ（DAC）、デジタル・ポテンショメータ、不揮発性メモリ（NVM）、センサー、マイクロコントローラ・ユニット（MCU）などの他のSPI互換デバイスへの全二重動作が可能です。これらのデバイスの中には、高速化、イベント通知、コマンド応答メカニズムの実現など、特定目的のための特別な機能を備えているものがあります。

ADuCM4050のSPI動作モードは強化されており、半二重動作とフロー制御オプションを柔軟に使用できます。これにより、SPIブロックは、ペリフェラルに固有のこれらの特性のほとんどをハードウェアで自動的に使用できます。このため、ユーザ・コードが簡略化され、電力量効率を改善できます。

このアプリケーション・ノートでは、ADuCM4050 MCUで使用可能なSPIフロー制御モードについて説明し、使用例をいくつか示します。

背景

フロー制御は、マスタとスレーブ間のデータ・フローの同期に必要です。ADuCM4050 MCUは、差別化機能であるフロー制御をSPIで提供します。読出しコマンド・モードでは、フロー制御を使用して複数のデータ・バイトを受信できます。

フロー制御では、SPIマスタとスレーブ間のデータ転送は、定期的なデータ読出しまたはオンデマンドのデータ読出しに関するアプリケーション条件に基づいて制御されます。

ADuCM4050のSPIマスタは、次のモードのフロー制御をサポートします。

  • ピンベースのフロー制御、SPIスレーブで制御。
    • MISOピンを使用。
    • RDYピンを使用。 
  • タイマーベースのフロー制御、SPIマスタで制御。

フロー制御モードについては、次のセクションで詳細に説明します。SPIフロー制御レジスタ（SPI_FLOW_CTL）のモード・フィールドは、フロー制御モードを3つのモードのいずれかに構成します。SPI_FLOW_CTLレジスタを図1に示します。

フロー制御機構は、ADuCM4050がSPIマスタとして構成されている場合に限り使用できます。

ピンベースのフロー制御

専用のRDYピンの使用


一部のSPIスレーブには、SPIマスタ（この場合は、ADuCM4050）のSPI_RDYピンに接続する専用のRDYピンがあります。SPI_RDYピンは、各SPIインスタンスに専用のピン（汎用入出力（GPIO）の代替機能）です。

例えば、ON Semiconductor®のCAT64LC40シリアル・フラッシュは、専用のRDYピンを使用して、SPIマスタにデータが使用できるかどうかを信号で通知します。

スレーブが専用のRDYピンをサポートしていない場合、ADuCM4050のRDYピンはSPIスレーブの割込みピンに配線できます。スレーブは、RDYピンを使用して、アクイジションとデータ処理が完了したことを示します。マスタは、このピンのアクティブなレベルが表示されるまでSPIクロックを提供しません。

RDYピンがアサートされたときに読出しを実行するバイト数を構成できます。この構成を実行するには、SPIフロー制御レジスタ（SPI_FLOW_CTL）のRDBURSTSZフィールドを設定します。MISOでこのバイトのバーストを受信した後、SPIマスタは、次のRDYピンのアサーションを待機し、次のバイトのセットを受信します。このプロセスは、SPIカウント・レジスタ（SPI_CNT）のセットのすべてのバイトが受信されるまで繰り返されます。

読出しコマンド・モードを使用すると、最大16バイトを転送できます。この転送は、SPI読出し制御レジスタ（SPI_RD_CTL）のTXBYTESフィールドを使用して構成されます。フロー制御を使用した場合に1回のバーストで受信されたバイト数は、SPI読出し制御レジスタ（SPI_FLOW_CTL）のRDBURSTSZフィールドで設定されます。ただし、受信バイトの合計数に上限は課せられません。

MISOピンの使用


一部のSPIスレーブには専用のRDYピンがありませんが、MISOピンを再利用してMISOでデータを送信する準備が整ったことをSPIマスタに通知する手法をとっています。これは、AD7798などの一部のADCでは一般的です。

ADuCM4050 SPIマスタは、MISOラインのアクティブ・レベルの遷移まで待機し、これが検出されると、RDBURSTSZ + 1個のバイトの読出しを実行して、次のアクティブ・レベルがMISOで検出されるまで待機状態に戻ります。

MISO/RDYピンの極性は、SPI読出し制御レジスタのRDYPOLフィールド（SPI_FLOW_CTL）を使用して構成できます。 

タイマーベースのフロー制御

専用ピンがないスレーブから、マスタにデータが使用できるかどうかを通知するには、MCUで16ビット・タイマーを使用してデータの読出し中に待機状態を導入します。タイマーがトリガすると、マスタはバイトのバースト（RDBURSTSZ + 1）の読出しを実行し、タイマーを再起動します。タイマーはSPIクロック・レート（SCK）で出力され、タイマーのトリガを待機するSCKサイクルの数は、SPI_WAIT_TMRレジスタを使用して設定できます。例については、図2を参照してください。

このスキームを、フロー制御でSCKの待機と駆動に使用する場合は、最後のSCKエッジをサンプリング・エッジにする必要があります。待ち時間が終わったら、SCK駆動エッジが次のデータ転送を実行します。

図1. SPI_FLOW_CTLレジスタ
図1. SPI_FLOW_CTLレジスタ
図2. ソフトウェア・フロー制御とタイマー
図2. ソフトウェア・フロー制御とタイマー

ソース・コード

このセクションでは、ハードウェア・フロー制御モードを使用して、フロー制御機能によりユーザ・コードとシステム内の電力節約を簡素化する方法を説明します。

このセクションでは2つの例を示します。1つはタイマーベースの概念を示し、もう1つはピンベースの例を示します。

タイマーベースのフロー制御の例

SPIフロー・オプションを介してデバイスを自動的に制御する第1の方法はタイマーです。タイマーベースのフロー制御のセクションで説明したように、SPIブロックは連続する転送間に設定可能な遅延を追加します。この方法は、固定周波数のサンプリング・レートとデータ・レートでデータ・ストリームを提供するようなADCやセンサーでは一般的です。

SPIフローの方法はSPI_FLOW_CTLレジスタで示されます。この場合、SPI_FLOW_CTL.MODEでタイマー・オプションは1に設定します。

遅延は、PCLK周波数とSPI_WAIT_TMRレジスタに依存します。このレジスタの値は、新しいSPI動作の実行を待機するSPI_CLKサイクル数（PCLK/SPI_DIV）を指定します。

この他に考慮すべきオプションは次のとおりです。

  • SPI_CTL.CONTINUOUSビット・フィールド：すべてのデータが転送されるまで転送シーケンスを継続する。
  • SPI_CNTレジスタ：転送するバイト数。
  • SPI_FLOW_CTL.RDBURSTSZビット・フィールド：転送ごとに読出しバイト数から1を引いた数。

これらのフィールドの効果を図5に示します。

この例では、プログラムは固定数のワードを読み出し、タスクが完了するとプログラムが終了します。コードは、コード例1のセクションに示しています。

受信データは割込みハンドラで読み出されます。この場合、読出しバッファが一杯になり、values変数が増加されます（コード例2を参照）。

結果を図3と図4に示します。これらの図は、あるバーストと次のバーストの間の遅延を制御するWAIT_TMRレジスタ値を変更することによって作成されています。

図3. WAIT_TMR = 200
図3. WAIT_TMR = 200
図4. WAIT_TMR = 20
図4. WAIT_TMR = 20
図5. ADuCM4050ハードウェア・リファレンス・マニュアルでのSPIフローの例
図5. ADuCM4050ハードウェア・リファレンス・マニュアルでのSPIフローの例

コード例1

 #define NUM_VALUES 50
 volatile uint16_t values = 0;
 uint16_t buffer[NUM_VALUES] = {0};
[…]
 NVIC_EnableIRQ(SPI0_EVT_IRQn);
 

 pADI_SPI0->CS_OVERRIDE = 0;
 pADI_SPI0->CTL = (1 << BITP_SPI_CTL_CON) | //連続
 (1 << BITP_SPI_CTL_CPOL) | //極性
 (1 << BITP_SPI_CTL_CPHA) | //フェーズ
 (1 << BITP_SPI_CTL_MASEN) | //マスタ
 (1 << BITP_SPI_CTL_SPIEN); //イネーブル
 pADI_SPI0->IEN = (1 << BITP_SPI_IEN_IRQMODE); //2バイトごとにtx割込み
 pADI_SPI0->CNT = NUM_VALUES * 2; //転送バイト数（サンプルあたり2バイト）
 pADI_SPI0->RD_CTL = (0 << BITP_SPI_RD_CTL_TXBYTES) | //読出しコマンドでは、tx -1
 (1 << BITP_SPI_RD_CTL_CMDEN); //コマンド・モード
 pADI_SPI0->FLOW_CTL = (1 << BITP_SPI_FLOW_CTL_RDBURSTSZ) | //バースト -1
 (1 << BITP_SPI_FLOW_CTL_MODE); //WAIT_TMRベースのフロー制御
 pADI_SPI0->WAIT_TMR = 20; //待機するサイクル数
  

 tmp = pADI_SPI0->RX; //転送を開始するためのダミー読出し

 while(values < NUM_VALUES); //すべてのサンプルまで待機

コード例2

 void SPI0_Int_Handler(){
   uint16_t aux = 0;
  

   if((pADI_SPI0->STAT & 0x20) == 0x20){ //TX終了
     pADI_SPI0->STAT = 0x22;
   }else if((pADI_SPI0->STAT & 0x40) == 0x40){ //RX
  

     pADI_SPI0->STAT = 0xFFFF; // 割込みをクリア   

     aux = (pADI_SPI0->RX << 8); 
     aux |= pADI_SPI0->RX; 
  

     buffer[values++] = aux;
   }
 }

ピンベースのフロー制御の例

SPIフローの第2の方法は、新しい転送を信号で通知する方法ですこの例では、MISOラインがレディ信号として使用されています。

この例では、AD7798 ADCへのインターフェースを実装しています。このADCは、サンプルを自動的に送信する自律モードで動作するように設定できます。新しいサンプルが準備できると、MISOラインにより通知されます。連続モードを選択する設定は、0x5Cの値を書き込むことで行います。これは、連続モードで次に読み出す対象がデータ・レジスタであることをCOMレジスタで示します。

連続モードは、AD7798からサンプルを連続的に読み出す手段です。各サンプルは16ビット・ワードで、ADCによってMISOラインがグラウンドに接続された後でのみ使用できます。ワークフローを図7に示します。

SPI_FLOW_CTL.CTL_MODEビット・フィールドに3を書き込むことにより、SPIフロー・オプションとしてADuCM4050のSPIをMISOモードに設定する必要があります。この方法でも、同じレジスタ内のRDYPOLビット・フィールドが考慮されます。この場合、ローの値がトリガとなるため、1を書き込む必要があります。

各転送は16ビット幅ワードであるため、SPI_CTL.IRQMODEに1の値を設定する必要があります。これは、RXバッファに2バイトが入ったときに割込みを通知するのに使用されます。更に、SPI_FLOW_CTL.RDBUSTSZが1になることは、転送ごとに16ビットクロック・サイクルが完了したことを示します。

最後に、デバイスを正しく設定するために、AD7798に設定ワード（0x5C）を書き込む必要があります。

コードは、コード例3のセクションに示しています。

読出しは、割込みハンドラの関数でも実行できます（コード例4のセクションを参照）。

この結果、図6に示すようなデータ・ストリームになります。AD7798 ADCは新しいサンプルが使用できることを通知し、このデータをMISOラインに出力します。各読出しで、ADuCM4050はクロック（青色）を生成し、転送全体が終了するまでチップ・セレクト・ラインをローに保ちます（ピンク色）。MOSIラインは初期設定後は必要ありません（緑色）。

図6. 連続モードでのAD7798へのSPI転送
図6. 連続モードでのAD7798へのSPI転送
図7. AD7798、連続モード
図7. AD7798、連続モード

コード例3

 NVIC_EnableIRQ(SPI0_EVT_IRQn);
 

 pADI_SPI0->CS_OVERRIDE = 0;
 pADI_SPI0->CTL = (1 << BITP_SPI_CTL_CON) | //連続
 (1 << BITP_SPI_CTL_CPOL) | //極性
 (1 << BITP_SPI_CTL_CPHA) | //フェーズ
 (1 << BITP_SPI_CTL_MASEN) | //マスタ
 (1 << BITP_SPI_CTL_SPIEN); //イネーブル
 pADI_SPI0->IEN = (1 << BITP_SPI_IEN_IRQMODE); //2バイトごとにtx割込み
 pADI_SPI0->CNT = NUM_VALUES * 2; //転送バイト数
 pADI_SPI0->RD_CTL = (0 << BITP_SPI_RD_CTL_TXBYTES) | //読出しコマンドではtx -1
 (1 << BITP_SPI_RD_CTL_CMDEN); //コマンド・モード
 pADI_SPI0->FLOW_CTL = (1 << BITP_SPI_FLOW_CTL_RDBURSTSZ) | //バースト -1
 (1 << BITP_SPI_FLOW_CTL_RDYPOL) | //レディ信号の極性：ロー
 (3 << BITP_SPI_FLOW_CTL_MODE); //MISOベースのフロー制御
  

 pADI_SPI0->TX = 0x5C; //AD7798を連続モードに設定
 tmp = pADI_SPI0->RX; //転送を開始するためのダミー読出し
 

 while(values < NUM_VALUES);

コード例4

 void SPI0_Int_Handler(){
   uint16_t aux = 0;
 

   if((pADI_SPI0->STAT & 0x20) == 0x20){ //TX 終了
     pADI_SPI0->STAT = 0x22;
   }else if((pADI_SPI0->STAT & 0x40) == 0x40){ //RX
  

     pADI_SPI0->STAT = 0xFFFF; // 割込みをクリア   

     aux = (pADI_SPI0->RX << 8); 
     aux |= pADI_SPI0->RX; 
  

     buffer[values++] = aux;
   }
 }

まとめ

読出しコマンド・モードやフロー制御などのADuCM4050 SPIの種々の機能により、このデバイスは、SPIペリフェラルでMCUの負担を軽減するバッテリ駆動システムに最適で、データ収集に個別に使用できます。

これらの特性をハードウェアで実装することで、遅延やライン操作などの一部の動作が設定不要になるため、ユーザ・コードを簡略化できます。また、MCUが不要になるため、ADuCM4050の特性により電力量消費を高効率化できます。

ADuCM4050の特性を、ダイレクト・メモリ・アクセス（DMA）およびフレキシ・モードと組み合わせて実装することにより、電力量効率と生産性を大幅に向上させることができます。