Mikrokontrolery

• Pełny dupleks, 3-przewodowy synchroniczny przesył danych
• Praca w trybie master
• Obsługa wszystkich 4 trybów pracy SPI (Tryb 0, 1, 2 i 3)
• Przesył od najmłodszego lub od najstarszego bitu (konfigurowalna kolejność bitów danych)
• Praca z kolejkowaniem (podwójne buforowanie)
• Wysokorozdzielczy generator szybkości transmisji
• Praca z dużą szybkością transmisji (f_XCKmax = f_CK/2)
• Elastyczna generacja przerwań

Uniwersalny synchroniczny i asynchroniczny szeregowy odbiornik i nadajnik (ang. Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter, USART) może być ustawiony na tryb pracy zgodny z trybem master SPI. Ustawienie na 1 obu bitów UMSEL1:0 włącza w USART logikę MSPIM. W tym trybie pracy logika sterująca master SPI przejmuje bezpośrednią kontrolę nad zasobami USART. Zasoby te obejmują rejestr przesuwający nadajnika i odbiornika z buforami oraz generator szybkości transmisji. Wyłączone zostają generator parzystości i układ sprawdzania parzystości, logika odtwarzania danych i zegara oraz logika sterowania nadawaniem i odbiorem danych. Logika odbioru i nadawania USART zostaje zastąpiona wspólną logiką sterowania transmisją SPI. Jednakże logika sterowania końcówkami i generacją przerwań jest identyczna w obu trybach pracy.

W obu trybach położenie komórek rejestrów we/wy jest takie same. Jednakże funkcje niektórych rejestrów sterujących zmieniają się, gdy jest używany tryb MSPIM.

Logika generacji zegara generuje podstawowy zegar dla nadajnika i odbiornika. W trybie pracy USART MSPIM obsługiwane jest tylko wewnętrzne generowanie zegara (tj. praca master). Z tego powodu bit rejestru kierunku danych dla końcówki XCK (DDR_XCK) musi być ustawiony na jeden (tj. jako wyjście), aby moduł USART działał prawidłowo w trybie MSPIM. Zaleca się ustawienie bitu DDR_XCK przed włączeniem trybu USART MSPIM (tj. ustawienie bitu TXEN i RXEN na jeden).

Wewnętrzna generacja zegara w trybie MSPIM jest identyczna jak w synchronicznym trybie USART master. Z tego powodu szybkość transmisji i ustawienia UBRR można wyliczać z tych samych wzorów:

Tryb pracy	Wzór na szybkość transmisji	Wzór na wyliczenie wartości UBRR
Tryb synchroniczny master

fT – szybkość transmisji w bitach na sekundę fOSC – częstotliwość zegarowa oscylatora systemowego UBRR – zawartość rejestrów UBRRH i UBRRL (0...4095)

W odniesieniu do danych szeregowych są cztery kombinacje fazy i polaryzacji XCK (SCK), które określane są przez bity sterujące UCPHA i UCPOL. Wykresy czasowe przesyłu danych są przedstawione poniżej na rysunku. Bity danych są wysuwane i zatrzaskiwane przy przeciwnych zboczach sygnału XCK, zapewniając wystarczający czas na ustabilizowanie się sygnałów danych. Funkcje bitów UCPOL i UCPHA podsumowuje tabelka. Zapamiętaj, iż zmiana stanu dowolnego z tych bitów zniszczy całą bieżąco wykonywaną transmisję zarówno dla odbiornika jak i dla nadajnika.

Ramka szeregowa dla MSPIM zdefiniowana jest jako jeden znak złożony z 8 bitów danych. USART w trybie MSPIM posiada dwa formaty ramek:

• 8 bitów danych z najstarszym bitem (and. Most Significant Bit, MSB) na początku
• 8-bitów danych z najmłodszym bitem (and. Least Significant Bit, LSB) na początku

Ramka rozpoczyna się od najmniej lub najbardziej znaczącego bitu danych, dalej następują kolejne bity danych aż do całkowitej ich liczby równej osiem, kończąc się odpowiednio najbardziej lub najmniej znaczącym bitem. Gdy pełna ramka zostanie przesłana, to nowa może wystąpić bezpośrednio za nią lub linia transmisyjna może przejść w stan bezczynny.

Bit UDORD w rejestrze UCSRC ustawia format ramek używanych przez USART w trybie MSPIM. Odbiornik i nadajnik korzystają z tego samego ustawienia. Zapamiętaj, iż zmiana tego bitu w czasie wykonywania transmisji spowoduje błędy w przesyle zarówno dla nadajnika jak i odbiornika.

16-bitowy przesył danych można zrealizować przez zapis dwóch bajtów danych do rejestru UDR. Wtedy przerwanie przy zakończeniu transmisji UART zasygnalizuje, że 16-bitowa wartość została przesłana.

Inicjalizacja USART MSPIM

USART w trybie MSPIM musi być zainicjowane przed rozpoczęciem jakiejkolwiek wymiany danych. Zwykle proces inicjalizacji składa się z ustawienia szybkości transmisji, ustawienia trybu pracy master (przez ustawienie na jeden bitu DDR_XCK), ustawienia formatu ramki i włączenia nadajnika i odbiornika. Niezależnie może pracować tylko nadajnik. Przy pracy sterowanej przerwaniami należy wyzerować globalny znacznik przerwań I w rejestrze stanu SREG (blokując w ten sposób globalnie przerwania) na czas wykonywania inicjalizacji.

Przed wykonaniem ponownej inicjalizacji ze zmienioną szybkością transmisji, trybem danych lub formatem ramki upewnij się, że nie jest prowadzona żadna transmisja w okresie zmiany zawartości rejestrów sterujących. Do sprawdzenia zakończenia transmisji przez nadajnik można wykorzystać znacznik TXC, natomiast znacznik RXC może być użyty do sprawdzenia, czy są jakieś nieodczytane jeszcze dane w buforze odbiorczym. Zapamiętaj, iż znacznik TXC musi być wyzerowany przed każdą transmisją (przed zapisem do rejestru UDR), jeśli jest on wykorzystywany do tego celu.

Poniższe proste kody inicjalizacji USART pokazują równoważne sobie funkcje w asemblerze i w języku C. Przykłady zakładają przeglądanie stanu znacznika (bez włączonych przerwań). Szybkość transmisji podana jest jako parametr funkcji. Dla kodu w asemblerze parametr szybkości transmisji powinien byc umieszczony w rejestrach r17:r16.

USART_Init:
    clr r18
    out UBRRH,r18
    out UBRRL,r18
    ; Ustawienie końcówki XCK portu jako wyjście włącza tryb master.
    sbi XCK_DDR, XCK
    ; Ustaw tryb pracy MSPI i tryb danych SPI 0.
    ldi r18, (1<<UMSEL1)|(1<<UMSEL0)|(0<<UCPHA)|(0<<UCPOL)
    out UCSRC,r18
    ; Włącz odbiornik i nadajnik.
    ldi r18, (1<<RXEN)|(1<<TXEN)
    out UCSRB,r18
    ; Ustaw szybkość transmisji.
    ; WAŻNE: Szybkość transmisji musi być ustawiona po włączeniu nadajnika!
    out UBRRH, r17
    out UBRRL, r18
    ret

void USART_Init( unsigned int baud )
{
    UBRR = 0;
    /* Ustawienie końcówki XCK portu jako wyjście włącza tryb master. */
    XCK_DDR |= (1<<XCK);
    /* Ustaw tryb pracy MSPI i tryb danych SPI 0. */
    UCSRC = (1<<UMSEL1)|(1<<UMSEL0)|(0<<UCPHA)|(0<<UCPOL);
    /* Włącz odbiornik i nadajnik. */
    UCSRB = (1<<RXEN)|(1<<TXEN);
    /* Ustaw szybkość transmisji. */
    /* WAŻNE: Szybkość transmisji musi być ustawiona po włączeniu nadajnika! */
    UBRR = baud;
}

Używanie USART w trybie MSPI wymaga włączenia nadajnika, tj. ustawienia na jeden bitu TXEN w rejestrze UCSRB. Gdy nadajnik zostanie włączony, to normalna praca końcówki TxD zostaje zmieniona na wyjście szeregowe nadajnika. Włączenie odbiornika jest opcjonalne i wykonuje się je przez ustawienie na jeden bitu RXEN w rejestrze UCSRB.

Gdy zostanie włączony odbiornik normalna praca końcówki RxD zostaje zmieniona na wejście szeregowe odbiornika. W obu przypadkach XCK będzie użyty jako zegar transmisji. Przesył danych jest inicjowany zapisem do komórki we/wy UDR. Tak jest zarówno dla wysyłania jak i odbioru danych, ponieważ nadajnik kontroluje zegar transmisji. Dane wpisane do UDR są przenoszone z bufora nadawczego do rejestru przesuwającego, gdy ten jest gotowy na przesłanie nowej ramki.

Poniższe przykłady kodu pokazują prostą funkcję przesyłu w trybie MSPIM, która jest oparta na sprawdzaniu znacznika opróżnienia rejestru danych (UDRE) oraz znacznika zakończenia odbioru (RXC). USART musi być zainicjowany, zanim będzie można użyć tej funkcji. Dla kodu w asemblerze dane do wysłania mają być umieszczone w rejestrze R16, a dane odebrane będą dostępne w tym samym rejestrze po powrocie z wywołania funkcji.

Funkcja po prostu czeka, aż bufor nadawczy stanie się pusty, co wskaże jej znacznik UDRE, po czym umieszcza w tym buforze nowe dane do nadania. Następnie funkcja czeka na pojawienie się danych w buforze odbiorczym, sprawdzając znacznik RXC, po czym odczytuje ten bufor i zwraca jego zawartość.

USART_MSPIM_Transfer:
    ; Czekaj, aż bufor nadawczy będzie pusty
    sbis UCSRA, UDRE
    rjmp USART_MSPIM_Transfer
    ; Umieść dane (r16) w buforze, co wyśle je
    out  UDR,r16
    ; Czekaj na odbiór danych
USART_MSPIM_Wait_RXC:
    sbis UCSRA, RXC
    rjmp USART_MSPIM_Wait_RXC
    ; Pobierz odebrane dane z bufora i powróć z funkcji
    in   r16, UDR
    ret

unsigned char USART_Receive( void )
{
    /* Czekaj na pusty bufor nadawczy */
    while ( !( UCSRA & (1<<UDRE)) );
    /* Umieść dane (r16) w buforze, co wyśle je */
    UDR = data;
    /* Czekaj na odbiór danych */
    while ( !(UCSRA & (1<<RXC)) );
    /* Pobierz i zwróć odebrane dane z bufora */
    return UDR;
}

Znaczniki nadajniki i odbiornika a przerwania

Znaczniki RXC, TXC i UDRE wraz z odpowiednimi przerwaniami w USART w trybie MSPIM są identyczne w działaniu jak w normalnej pracy USART. Jednakże znaczniki błędów odbiornika (FE, DOR i PE) nie są używane i zawsze mają przy odczycie wartość zero.

Wyłączanie nadajnika lub odbiornika

Wyłączanie nadajnika lub odbiornika w USART pracującym w trybie MSPIM jest identyczne jak w normalnej pracy USART.

USART w trybie MSPIM jest w pełni kompatybilny z AVR SPI pod względem:

• wykresu czasowego trybu master.
• Funkcji bitu UCPOL, która jest identyczna z funkcją bitu SPI CPOL.
• Funkcji bitu UCPHA, która jest identyczna z funkcją bitu SPI CPHA.
• Funkcji bitu UDORD, która jest identyczna z funkcją bitu SPI DORD.

Jednakże ponieważ USART w trybie MSPIM wykorzystuje ponownie zasoby USART, to użycie USART w trybie MSPIM różni się nieco w porównaniu z trybem SPI. Oprócz różnic w bitach rejestrów sterujących oraz obsługi tylko pracy w trybie master przez USART w trybie MSPIM, różnice pomiędzy tymi dwoma modułami dotyczą następujących cech:

• USART w trybie MSPIM zawiera (podwójne) buforowanie nadajnika. SPI nie ma bufora.
• USART w trybie MSPIM posiada dodatkowy poziom buforowania dla odbiornika.
• Bit SPI WCOL (ang. Write Collision, kolizja przy zapisie) nie występuje w USART w trybie MSPIM.
• Bit trybu podwójnej szybkości transmisji SPI (SPI2X) nie jest obecny. Jednakże ten sam efekt otrzymuje się przez odpowiednie ustawienie rejestrów UBRRn.
• Czasy przerwań nie są kompatybilne.
• Sterowanie końcówkami różni się z powodu pracy USART tylko jako master w trybie MSPIM.

Poniższa tabelka zawiera porównanie pomiędzy końcówkami w trybie MSPIM i SPI.

Ten podrozdział opisuje rejestry używane w czasie pracy SPI z wykorzystaniem USART

UDR – USART MSPIM I/O Data Register – Rejestr danych USART w trybie MSPIM

Funkcje i opis bitów rejestru danych USART (ang. USART Data Register, UDR) w trybie MSPI są identyczne jak w normalnej pracy USART. Zobacz na opis tego rejestru w poprzednim rozdziale.

UCSRA – USART MSPIM Control and Status Register A – Rejestr A sterowania i stanu USART w trybie MSPIM

Bit 7 – RXC: USART Receive Complete – Zakończenie odbioru przez USART

Ten bit znacznikowy jest ustawiany, gdy w buforze odbiorczym znajdują się nieodczytane dane, a zerowany, gdy bufor odbiorczy jest pusty (tj. nie zawiera żadnych nieodczytanych danych). Jeśli odbiornik zostanie wyłączony, to bufor odbiorczy będzie opróżniony i w konsekwencji bit znacznika RXC przyjmie stan zero. Znacznik RXC może być wykorzystywany do generacji przerwania przy zakończeniu odbioru (ang. Receive Complete Interrupt) – zobacz na opis bitu RXCIE.

Bit 6 – TXC: USART Transmit Complete – Zakończenie nadawania przez USART

Ten bit znacznikowy jest ustawiany, gdy cała ramka w nadawczym rejestrze przesuwającym (ang. Transmit Shift Register) została wysunięta na zewnątrz i nie ma w danej chwili nowych danych w buforze nadawczym (UDR). Bit znacznikowy TXC jest zerowany automatycznie, gdy zostanie wykonane przerwanie przy zakończeniu przesyłu lub przez zapis logicznej jedynki na pozycji tego bitu. Znacznik TXC może generować przerwanie przy zakończeniu przesyłu (ang. Transmit Complete Interrupt) – zobacz na opis bitu TXCIE.

Bit 5 – UDRE: USART Data Register Empty – Pusty rejestr danych USART

Znacznik UDRE wskazuje, iż bufor nadawczy (UDR) jest gotowy na przyjęcie nowych danych. Jeśli UDRE ma stan jeden, to bufor jest pusty, a zatem gotowy do zapisania. Znacznik UDRE może generować przerwanie przy pustym rejestrze danych (ang. Data Register Empty Interrupt) – zobacz na opis bitu UDRIE. UDRE jest ustawiany po resecie w celu pokazania, iż nadajnik jest gotowy.

Bit 4:0 – Bity zarezerwowane w trybie MSPI

W czasie pracy modułu USART w trybie MSPI bity te są zarezerwowane do przyszłego użytku. Dla kompatybilności z przyszłymi mikrokontrolerami bity te należy zapisywać zerami przy zapisie do rejestru UCSRA.

UCSRB – USART MSPIM Control and Status Register B – Rejestr B sterowania i stanu USART w trybie MSPIM

Bit 7 – RXCIE: RX Complete Interrupt Enable – Włączenie przerwań przy zakończeniu odbioru

Zapis jedynki w tym bicie włącza przerwanie od znacznika RXC. Przerwanie przy zakończeniu odbioru przez USART (ang. USART Receive Complete Interrupt) będzie generowane tylko wtedy, gdy bit RXCIE oraz bit globalnego włączania przerwań I w rejestrze stanu SREG będą ustawione na jeden i znacznik RXC w UCSRA przyjmie stan jeden.

Bit 6 – TXCIE: TX Complete Interrupt Enable – Włączenie przerwań przy zakończeniu nadawania

Zapis jedynki w tym bicie włącza przerwanie od znacznika TXC. Przerwanie przy zakończeniu nadawania przez USART (ang. USART Transmit Complete Interrupt) będzie generowane tylko wtedy, gdy bit TXCIE oraz bit globalnego włączania przerwań I w rejestrze stanu SREG będą ustawione na jeden i znacznik TXC w UCSRA przyjmie stan jeden.

Bit 5 – UDRIE: USART Data Register Empty Interrupt Enable – Włączenie przerwań przy pustym rejestrze danych USART

Zapis jedynki w tym bicie włącza przerwanie od znacznika UDRE. Przerwanie przy pustym rejestrze danych USART (ang. USART Data Register Empty Interrupt) będzie generowane tylko wtedy, gdy bit UDRIE oraz bit globalnego włączania przerwań I w rejestrze stanu SREG będą ustawione na jeden i znacznik UDRE w UCSRA przyjmie stan jeden.

Bit 4 – RXEN: Receiver Enable – Włączenie odbiornika

Zapisanie jedynki w tym bicie włącza odbiornik USART w trybie MSPIM. Po włączeniu odbiornik przejmie normalną pracę portu dla końcówki RxD. Wyłączenie odbiornika wyczyści bufor odbiorczy. Włączenie samego odbiornika w trybie MSPI (tj. ustawienie RXEN=1 and TXEN=0) nie ma żadnego znaczenia, ponieważ to nadajnik steruje zegarem transmisji i tylko tryb master jest obsługiwany.

Bit 3 – TXEN: Transmitter Enable – Włączenie nadajnika

Zapis jedynki do tego bitu włącza nadajnik USART. Po włączeniu nadajnik przejmie normalną pracę portu dla końcówki TxD. Wyłączenie nadajnika (wpisanie zera do TXEN) nie odniesie skutku, aż do zakończenia bieżących i oczekujących transmisji, tj. gdy nadawczy rejestr przesuwający (ang. Transmit Shift Register) i rejestr bufora nadawczego (ang. Transmit Buffer Register) nie będą zawierać danych do przesłania. Po wyłączeniu nadajnik nie będzie dalej przechwytywał końcówki TxD.

Bit 2:0 – Bity zarezerwowane w trybie MSPIM

W trybie MSPI bity te zostały zarezerwowane do użytku w przyszłości. Dla kompatybilności z przyszłymi mikrokontrolerami bity te należy zapisywać zerami przy zapisie do rejestru UCSRB.

UCSRC – USART MSPIM Control and Status Register C – Rejestr B sterowania i stanu USART w trybie MSPIM

Bity 7:6 – UMSEL1:0: USART Mode Select – Wybór trybu USART

Te bity wybierają tryb pracy modułu USART wg poniższej tabelki. Zobacz do opisu rejestru UCSRC w poprzednim rozdziale, gdzie podano pełne informacje o normalnej pracy modułu USART. Tryb MSPIM jest włączany, gdy oba bity UMSEL zostaną ustawione na jeden. Bity UDORD, UCPHA i UCPOL można ustawić w tej samej operacji zapisu, gdy jest włączany tryb MSPIM.

Bity 5:3 – Bity zarezerwowane w trybie MSPIM

W trybie MSPI bity te zostały zarezerwowane do użytku w przyszłości. Dla kompatybilności z przyszłymi mikrokontrolerami bity te należy zapisywać zerami przy zapisie do rejestru UCSRC.

Bit 2 – UDORD: Data Order – Kolejność danych

Gdy jest ustawiony na 1, to bity są wysyłane w kolejności od najmniej znaczącego (LSB). Gdy jest ustawiony na 0, to bity są wysyłane w kolejności od najbardziej znaczącego (MSB). Więcej znajdziesz w podrozdziale "Formaty ramek".

Bit 1 – UCPHA: Clock Phase – Faza zegara

Ustawienie bitu UCPHA określa, czy dane będą próbkowane przy pierwszym zboczu lub przy końcowym zboczu sygnału XCK. Zobacz do podrozdziału "Tryby danych SPI i ich przebiegi czasowe".

Bit 0 – UCPOL: Clock Polarity – Polaryzacja zegara

Bit UCPOL ustawia polaryzację zegara XCK. Kombinacja ustawień bitów UCPOL i UCPHA określa przebieg transmisji danych. Zobacz do podrozdziału "Tryby danych SPI i ich przebiegi czasowe".

UBRRL i UBRRH – USART MSPIM Baud Rate Registers – Rejestry szybkości transmisji w trybie MSPIM

Funkcje i opis bitów w rejestrach szybkości transmisji dla trybu MSPI są identyczne jak w normalnej pracy modułu USART. Zobacz do opisu tych rejestrów w poprzednim rozdziale.