Freescale同步串行传输SPI优化设计

Freescale系列的MCU大部分都存在一个SPI模块，它是一个同步串行外围接口，允许MCU与各种外周设备以串行方式进行通信。

目前，Freescale系列的大多数单片机总线不能外部加以扩展，当片内I／O或者存储器不能满足需求时，可以使用SPI来扩展各种接口芯片。这是一种最方便的Free-scale系列单片机系统扩展方法。

SPI系统主机最高频率=主机总线频率／2，从机最高频率=从机总线频率，即硬件体系决定了SPI的最高工作频率。如何在硬件体系结构已定的情况下，使I/O或存储器数据传输效率最高，成为SPI使用的一个关键问题。

1 同步串行传输SPI结构及常规操作

图1为Freescale同步串行传输SPI的体系结构图。

对Freescale同步串行传输体系来说，一般有两种操作模式：

①利用中断通知已经传输结束，或者接收完成；

②采用轮询方式，读取相应寄存器位置，判断传输是否完成。

无论是哪种模式，其常规操作流程(无配置过程)均如图2所示。



2 常规操作中的时间浪费

从图2中可以看出，当CPU向SPI数据寄存器中写入1字节数据后，必须等待，直至SPI模块通知传输结束，才能写入下一个字节。这是由于SPI数据模块由两部分构成：一部分是数据寄存器；另一部分是移位寄存器。当CPU向SPI数据寄存器写入1字节后，SPI模块需要将8位数据传入移位寄存器，在每个SPI时钟周期内传出1位数据。由于采样的原因，SPI的最大速率=BUS_CLK／2，所以当CPU向SPI写入一个8位数据后，必须等待8×2的时间单位，用于移位寄存器将数据串行输出。在该等待时间内，SPI模块处于工作状态，而CPU则处于等待状态。

3 SPI操作的一种优化设计

根据第2节的分析可以得出，常规SPI操作中的时间浪费在于——移位寄存器将数据串行传输时，CPU完全处于等待状态。如何利用这个等待时间，就是提高SPI系统效率的关键所在。下面是一段标准的SPI读数据操作(省略了清理寄存器操作)：



为了更加清楚地了解程序的操作过程，对上面这段代码进行反汇编：



从上面这段程序可以很清楚地看到，程序将在①处等待，直至移位寄存器将数据传输完毕。等待时间为8个SPI时钟周期，如果采用最高速度1／2总线时钟，那么总共需要等待16个总线时钟。如果能将程序进行一定调整，将一些操作转移到需要等待的这个时间段内，那么可以避免全部或者部分的浪费。①处的操作需要5个总线周期，实际可以利用的时间为11个总线时钟。考虑到汇编中将数据传送到数据寄存器的操作，实际是由两部分构成：第一步，将数据读入A寄存器；第二步，将A寄存器中的值存入SPID数据寄存器中。在Freescale的单片机指令集中，将数据存入A寄存器消耗4个总线周期；INCX需要一个总线周期；判断数据是否为空的CPX指令需要3个时钟周期；决定是否退出循环Beq需要3个总线周期。将这4个操作转移到等待的时间内，那么等待数据从移位寄存器移出的时间被合理地利用，从而使得传输速度达到最高。

程序修改如下：





4 优化后的SPI操作与常规SPI操作比较

改进后的SPI操作与传统方式的SPI操作分别如图3和图4所示。


图3和图4是利用Agilent 54622D对主设备为MC9S08GB60，从设备为MCl3192的SPI传输采样。其中，MC9S08GB60总线速度为4 Mbps，SPI传输率为1 Mbps；图3中示波器每格是2μs，而图4中每格为5μs。一次SPI数据传输3字节，比较两图，可以很清楚地看到：采用传统方式的SPI操作，在每个字节数据之间的停留时间甚至超过自身传输时间；而改进后的SPI传输，每个字节之间几乎不存在等待时间。

结语

这种改进，从本质上来说，是根据SPI系统自身的特性，调整、优化软件操作结构，使系统在不改变硬件的条件下，提高工作效率。