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

Ustawienie na 1 obu bitów UMSELn1:0 włącza w USARTn logikę MSPIM. W tym trybie pracy logika sterująca master SPI przejmuje bezpośrednią kontrolę nad zasobami USART0. 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 USARTn 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

• wykresu czasowego trybu master.
• Funkcji bitu UCPOL0, która jest identyczna z funkcją bitu SPI CPOL.
• Funkcji bitu UCPHA0, która jest identyczna z funkcją bitu SPI CPHA.
• Funkcji bitu UDORD0, która jest identyczna z funkcją bitu SPI DORD.

Jednakże ponieważ USART0 w trybie MSPIM wykorzystuje ponownie zasoby USART0, to użycie USART0 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 USART0 w trybie MSPIM, różnice pomiędzy tymi dwoma modułami dotyczą następujących cech:

• USART0 w trybie MSPIM zawiera (podwójne) buforowanie nadajnika. SPI nie ma bufora.
• USART0 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 (SPI2X0) nie jest obecny. Jednakże ten sam efekt otrzymuje się przez odpowiednie ustawienie rejestrów UBRR0.
• Czasy przerwań nie są kompatybilne.
• Sterowanie końcówkami różni się z powodu pracy USART0 tylko jako master w trybie MSPIM.

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

Generacja zegara

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 XCKn (DDR_XCKn) musi być ustawiony na jeden (tj. jako wyjście), aby moduł USARTn działał prawidłowo w trybie MSPIM. Zaleca się ustawienie bitu DDR_XCKn przed włączeniem trybu USART MSPIM (tj. ustawienie bitu TXENn i RXENn na jeden).

Wewnętrzna generacja zegara w trybie MSPIM jest identyczna jak w synchronicznym trybie USART master. Z tego powodu szybkość transmisji i ustawienia UBRRn 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 UBRRnH i UBRRnL (0...4095)

• 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 UDORDn w rejestrze UCSRCn 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 UDRn. Wtedy przerwanie przy zakończeniu transmisji UART zasygnalizuje, że 16-bitowa wartość została przesłana.

Inicjalizacja USART MSPIM

USARTn 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 XCKn_DDR), 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 TXCn, natomiast znacznik RXCn 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 UDRn), jeśli jest on wykorzystywany do tego celu.

Poniższe proste kody inicjalizacji USARTn 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 być umieszczony w rejestrach r17:r16.

USART_Init:
    clr r18
    sts UBRRnH,r18
    sts UBRRnL,r18
    ; Ustawienie końcówki XCKn portu jako wyjście włącza tryb master.
    sbi XCKn_DDR, XCKn
    ; Ustaw tryb pracy MSPI i tryb danych SPI 0.
    ldi r18, (1<<UMSELn1)|(1<<UMSELn0)|(0<<UCPHAn)|(0<<UCPOLn)
    sts UCSRnC,r18
    ; Włącz odbiornik i nadajnik.
    ldi r18, (1<<RXEN0)|(1<<TXEN0)
    sts UCSRnB,r18
    ; Ustaw szybkość transmisji.
    ; WAŻNE: Szybkość transmisji musi być ustawiona po włączeniu nadajnika!
    sts UBRRnH, r17
    sts UBRRnL, r18
    ret

void USART_Init( unsigned int baud )
{
    UBRRn = 0;
    /* Ustawienie końcówki XCKn portu jako wyjście włącza tryb master. */
    XCKn_DDR |= (1<<XCKn);
    /* Ustaw tryb pracy MSPI i tryb danych SPI 0. */
    UCSRnC = (1<<UMSELn1)|(1<<UMSELn0)|(0<<UCPHAn)|(0<<UCPOLn);
    /* Włącz odbiornik i nadajnik. */
    UCSRnB = (1<<RXENn)|(1<<TXENn);
    /* Ustaw szybkość transmisji. */
    /* WAŻNE: Szybkość transmisji musi być ustawiona po włączeniu nadajnika! */
    UBRRn = baud;
}

W obu przypadkach XCKn będzie użyty jako zegar transmisji. Przesył danych jest inicjowany zapisem do komórki we/wy UDRn. Tak jest zarówno dla wysyłania jak i odbioru danych, ponieważ nadajnik kontroluje zegar transmisji. Dane wpisane do UDR0 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 (UDREn) oraz znacznika zakończenia odbioru (RXCn). USARTn 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 UDREn, po czym umieszcza w tym buforze nowe dane do nadania. Następnie funkcja czeka na pojawienie się danych w buforze odbiorczym, sprawdzając znacznik RXCn, po czym odczytuje ten bufor i zwraca jego zawartość.

USART_MSPIM_Transfer:
    ; Czekaj, aż bufor nadawczy będzie pusty
    sbis UCSRnA, UDREn
    rjmp USART_MSPIM_Transfer
    ; Umieść dane (r16) w buforze, co wyśle je
    out  UDRn,r16
    ; Czekaj na odbiór danych
USART_MSPIM_Wait_RXC:
    sbis UCSRnA, RXCn
    rjmp USART_MSPIM_Wait_RXC
    ; Pobierz odebrane dane z bufora i powróć z funkcji
    lds  r16, UDRn
    ret

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

Znaczniki nadajnika i odbiornika a przerwania

Znaczniki RXCn, TXCn i UDREn wraz z odpowiednimi przerwaniami w USARTn w trybie MSPIM są identyczne w działaniu jak w normalnej pracy USARTn. Jednakże znaczniki błędów odbiornika (FEn, DORn i PEn) nie są używane i zawsze mają przy odczycie wartość zero.

Wyłączanie nadajnika lub odbiornika

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

UDRn – USARTn MSPIM I/O Data Register – Rejestr danych USARTn w trybie MSPIM

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

UCSRnA – USARTn MSPIM Control and Status Register A – Rejestr A sterowania i stanu USART0n w trybie MSPIM

Bit 7 – RXCn: USARTn Receive Complete – Zakończenie odbioru przez USARTn

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 RXCn przyjmie stan zero. Znacznik RXCn może być wykorzystywany do generacji przerwania przy zakończeniu odbioru (ang. Receive Complete Interrupt) – zobacz na opis bitu RXCIEn.

Bit 6 – TXCn: USARTn Transmit Complete – Zakończenie nadawania przez USARTn

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 (UDRn). Bit znacznikowy TXCn jest zerowany automatycznie, gdy zostanie wykonane przerwanie przy zakończeniu przesyłu lub przez zapis logicznej jedynki na pozycji tego bitu. Znacznik TXCn0 może generować przerwanie przy zakończeniu przesyłu (ang. Transmit Complete Interrupt) – zobacz na opis bitu TXCIEn.

Bit 5 – UDREn: USARTn Data Register Empty – Pusty rejestr danych USARTn

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

Bit 4:0 – Bity zarezerwowane w trybie MSPI

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

UCSRnB – USARTn MSPIM Control and Status Register B – Rejestr B sterowania i stanu USARTn w trybie MSPIM

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

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

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

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

Bit 5 – UDRIEn: USARTn Data Register Empty Interrupt Enable – Włączenie przerwań przy pustym rejestrze danych USARTn

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

Bit 4 – RXENn: Receiver Enable – Włączenie odbiornika

Zapisanie jedynki w tym bicie włącza odbiornik USARTn 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 RXENn=1 and TXENn=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 USARTn. Po włączeniu nadajnik przejmie normalną pracę portu dla końcówki TxD. Wyłączenie nadajnika (wpisanie zera do TXENn) 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 TxDn.

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 UCSRnB.

UCSRnC – USARTn MSPIM Control and Status Register C – Rejestr B sterowania i stanu USARTn w trybie MSPIM

Bity 7:6 – UMSEL0[1:0]: USARTn Mode Select – Wybór trybu USARTn

Te bity wybierają tryb pracy modułu USARTn wg poniższej tabelki. Zobacz do opisu rejestru UCSRnC w poprzednim rozdziale, gdzie podano pełne informacje o normalnej pracy modułu USARTn. Tryb MSPIM jest włączany, gdy oba bity UMSELn zostaną ustawione na jeden. Bity UDORDn, UCPHAn i UCPOLn 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 UCSRnC.

Bit 2 – UDORDn: 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 – UCPHAn Clock Phase – Faza zegara

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

Bit 0 – UCPOLn: Clock Polarity – Polaryzacja zegara

Bit UCPOLn  ustawia polaryzację zegara XCKn. Kombinacja ustawień bitów UCPOLn i UCPHAn określa przebieg transmisji danych. Zobacz do podrozdziału "Tryby danych SPI i ich przebiegi czasowe".

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

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