1 装置構成 1.1 実験装置下記写真が検証用に組み上げた装置外観ですマスター 1 台とスレーブ 6 台で構成してあります Figure 1: Boards configuration master:msp-ts430rgz48c+fr5969 中央の黒いボード slave :MSP-EXP43

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あゆみことじ
5 years ago
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1 MSP430 SPI マルチスレーブシステム Version /12/16 PIC 山内一男この資料では SS(Slave Select) 信号線を使用して SPI のマルチスレーブシステムを MSP430 で構築する具体的な方法を説明します一般的には master から slave に SS 信号を出して SPI 通信を行いますこれに加えて slave から master に RQSS(ReQuest Slave Select) 信号を出してスレーブドリブンの通信も実現してあります SPI は低コストで高速に双方向通信ができますので複数 slave を連携させると幅広い使い方ができます自律分散システムを構築できないかと考えていますこのドキュメントでは SS RQSS の制御と SPI 動作との連携実装上の留意点などを少し細かく説明してありますこの内容の動作と工夫を理解すれば他のシリーズにもインプリメントできると思います重要なキーワードは赤文字で書いてあります今回 Version3.0 では G2553 と FR5969 をサポートしてマルチプラットフォームで実現しましたまた SS と RQSS の制御方法を簡素化して API も含めて更新しました API の説明はヘッダーファイルに記載してあります内容 1 装置構成実験装置配線図 master ボード slave ボード方式概要線式 SPI 通信方式マルチイベント処理 SPI マルチスレーブ通信通信データ書式 SPI マルチスレーブ通信の詳細 master からの SPI 通信スレーブから SPI 通信を要請性能測定結果 master から SPI 通信するケース salve から SPI 通信を要請するケース slave の情報を他の slave に配信するケース補足

他の5 台配線は下記です 1 赤白ツイスト配線 VCC と GND 2 緑 + 白のペア配線

2 1 装置構成 1.1 実験装置下記写真が検証用に組み上げた装置外観ですマスター 1 台とスレーブ 6 台で構成してあります Figure 1: Boards configuration master:msp-ts430rgz48c+fr5969 中央の黒いボード slave :MSP-EXP430FR5969 左端の1 台 MSP-EXP430G2+G2553 他の5 台配線は下記です 1 赤白ツイスト配線 VCC と GND 2 緑 + 白のペア配線 SPI:SIMO,SOMI 信号線 3 青配線 SPI:CLK 信号線 4 白配線 1 対 1の個別配線 6 本が SS 信号線 1.2 配線図上記の実験装置の配線図は下記になりますこれはスレーブ 2 台の例です Figure 2: Connection diagram 2

3 1.3 master ボード slave ボード example プロジェクト (zip) で使用しているボードは下記です 1) master ボード下記のうち1 台 MSP-TS430RGZ48C+FR5969 MSP-EXP430FR5969 MSP-EXP430G2+G2553 2) slave ボード下記を混在して使用可能です接続台数は master ボードの種類によりますオンボードのスイッチを使用します MSP-EXP430FR5969 MSP-EXP430G2+G2553 3) 信号接続 example プロジェクト (Multi_IO_projectV3.pdf) のドキュメントには電源 GND と信号線の接続方法を解説してあります example プロジェクト (zip) にある PIO_SPI_Driver.h には信号線の接続方法 API とコーリングシーケンスの説明があります 2 方式概要線式 SPI 通信方式 SPI の基礎については Google で MSP430info spi で検索して下記の記事をご参照ください MSP430 SPI の概要と留意点の説明 1) 信号線 3 線式 SPI(SOMI,SIMO,CLK) に SS 信号線を加えた4 信号線でシステムを構成します SS 信号線は共通線ではなく master-slave ごとに1 対 1で配線します master は SS 信号線により slave を指定あるいは識別をします (MSP430 の STE 信号をつかう 4pin SPI operation とは方式が異なります ) 2) SS(Slave Select) と RQSS(ReQuest Slave Select) master から SS 信号線に出力するのを SS と呼び slave から出力するのを RQSS と呼びます SS と RQSS は信号あり = active high 信号無し = inactive Low で使用します SS は master が slave を指定して SPI 通信をするときに使用います RQSS は slave が master に SPI 通信を要請するときに使います SS 信号線への SS と RQSS の出力は master と slave の双方向から PIO 出力で行いますこのとき出力信号の衝突が起きるリスクが有りますので提供するライブラリ関数が衝突回避動作をします SS 信号線からの RQSS on と SS on の割り込み (Low to High edge) を master と slave ともに PIO 割り込みで受けます SPI 通信がない時は両者ともこの割り込みを LPM4 省電力モードで待ちます 3

4 master は最大 8 台までの RQSS の割り込みを受けることができます slave と通信しているときも他の slave からの RQSS を受け付けてプールしますので取りこぼすことはありません 3) SPI 通信の動作概要 1 master から SPI 通信をするとき master が SPI 通信をするときは SS で slave を指定して通信メッセージを SPI( 一対一の双方向 ) 通信で送信し同時に slave からの通信メッセージを受信しますこれを本書では SPI ポーリングと呼びます SS on が slave への SPI ポーリング開始の合図で SS off が SPI ポーリング終了の合図です slave は master からの SS on の割り込みを待ち SPI ポーリングが来たら SPI 通信を開始して master からの通信メッセージを受信し自分の通信メッセージを送信します SS off の割り込みで SPI 通信を停止します 2 slave から SPI 通信を要請するとき slave から通信をしたいときは master に RQSS を送り master から SPI ポーリングが来たら自分の通信メッセージを送信し同時に master からの通信メッセージを受信します RQSS on が master への SPI ポーリング要請の合図です master は通信メッセージがない時は slave からの RQSS on の割り込みを LPM4 で待ちます RQSS on の割り込みが来たら該当 slave に SPI ポーリングをします 4) ポイント SPI の通信がない時は master は RQSS on を slave は SS on を LPM4 で PIO 割り込み待ちしますつまり LPM4 の省電力で長時間の SPI 通信待ちをすることができます通信が必要な時は master は SS を slave は RQSS を出力して相手に割り込みを入れますこれにより相手の CPU を LPM4 から wake-up させてから LPM0 で高速に SPI 通信をします 1 本の SS 信号線を SS と RQSS に使い分けることで配線を少なくかつ master ドリブンでも slave ドリブンでも通信を開始できます SS と RQSS は双方向からの出力なので衝突リスクがありますがこれは SPI 通信ライブラリが衝突回避します SS と SPI 通信のタイミングを制御することで SPI 信号線 (SOMI,SIMO,CLK) は pull-up/down なしで安全に通信できますこのタイミング制御の詳細は 3 章で説明します 2.2 マルチイベント処理マスターとスレーブは timer, ADC, スイッチ割り込み SPI など複数のペリフェラルを並行動作できますこのとき並行動作させているペリフェラルから IO 完了などのイベント情報が非同期に発生しますイベント情報が同時に複数発生してもマルチイベント処理ライブラリがプールしますのでアプリケーションが順次イベント情報を取り出すことでもれなく処理できますイベント情報はユーザ定義可能です ---> 参照ドキュメント :MSP430 複数 IO の管理方式 Ver3 ---> イベント情報 :example 中の driver.h device ID(uint16_t) イベント情報は複数非同期に発生しますのでこれを他の master/slave に送る SPI 通信メッセージも非同期に次々と発生しますこれはメッセージマネージャがバッファにプールしますのでここから順次取り出して SPI 通信で送ることで対処できます ---> 参照ドキュメント :MSP430 メッセージマネージャ 4

master が SPI 通信中でも別の slave からは RQSS が送られてきます RQSS を受けた slave-id(bit 情報 ) は PIO の IO-request にプールされますので SPI 通信が完了した後でプールされていた slave-id を取り出してその slave に SPI ポーリングしますこれにより RQSS

5 master が SPI 通信中でも別の slave からは RQSS が送られてきます RQSS を受けた slave-id(bit 情報 ) は PIO の IO-request にプールされますので SPI 通信が完了した後でプールされていた slave-id を取り出してその slave に SPI ポーリングしますこれにより RQSS を取りこぼすことなくマルチスレーブの処理が行えます ---> 参照 : example プロジェクト (zip) のソースコード main_multispi4_mstxx.c 3 SPI マルチスレーブ通信 Version 3 では master と slave でやり取りする SS と RQSS の仕様を簡素化しました SS は通信中は on にするの一般的な仕様に戻しましたまた FR59xx 系の wake-up 時間に対応するように改造しました SPI ライブラリの機能と API は example プロジェクト (zip) にある SPI_PIO_Driver.h を参照してください 3.1 通信データ書式通信は双方向でパケット ( ヘッダ+データ ) を交換します * send data format: size(n),data1,data2,...,data(n-1) * receive : size(m),data1,data2,...,data(m-1) 通信パケットは可変長ですマスター / スレーブの指定 size(n/m) の大きい方が実際の通信サイズになります masterとslaveのspi-isrが最初のsize(n) とsize(m) を比較して通信サイズを判定します通信最大サイズは _SPI_MaxSz(default=16 bytes) として定義されており fail-safeのためチェックされます送信と受信の通信バッファは char abc[_spi_maxsz]; のように2 組用意します通信メッセージを管理するメッセージマネージャは dataの一部を下記用途に使います data1 : slave-id data2,data3 : master=コマンド slave=レスポンス data(n-1/m-1) : endマーク = ] メッセージマネージャは sizeとendマークの適否コマンド / レスポンスのコードをチェックしてビットズレバイト落ちなどの通信 errorを検出します最小パケットは5bytes (size,data1,data2,data3,end) になります 3.2 SPI マルチスレーブ通信の詳細 Figure 3 は通信 data が正しく送られるか test する機能を使い SPI 通信中の信号をオシロスコープで観測したものです黄色 :SS 信号線青 :SPI CLK 線 Figure 3: The pulse form of SPI communication 5

6 1) master が SS で slave を指定して SPI ポーリングで test コマンドを送信 2) slave が test 結果をかえすため master に RQSS を送り master が SPI ポーリングにより test 結果の ACK レスポンスを受信 master からの SPI 通信 Figure 3の 1)master SS の動作を説明します 1) masterの動作 [ 動作 ] masterが行う下記の1~5 SSの出力とSPI 通信を組み合わせた動作を SPIポーリングと呼びます 1 SPI ready(spi reset off) にする -> SPI CLK 有効 (inactive High) になる 2 SS on(low-> High) を出力する 3 SS on を維持してSPI 通信を開始して通信メッセージの送信と受信を実行する 4 SS off(high-> Low) を出力する 5 SPI stop(spi reset on) する -> SPI CLK 不定 (Hi-Z) になる [ 工夫 ] LPM4 wake-upの工夫 2のSS onをslaveが受けると LPM4からwake-upしますがこれには delay* がかかります masterはこのdelayを置いてから次の動作をする必要があります delayを入れないと slaveは先頭の数バイトを取りこぼします exampleプロジェクトの *wake-up delayは FR5969=max 10usにマージンを加えて13us に設定 SSとRQSS 衝突防止の工夫 2のSS onを出力する前に SS 信号線を入力 +pull-downに切り替えて入力 =Low(RQSSが来ていない ) を確認します SPI 信号線のpull-up/down 不要の工夫最初 masterは1のspi ready にしますこれでCLK 有効になります次にmasterが2のSS onを出力すると slaveはwake-upしてspi 通信に入ります最後 masterが4のss offを出力すると slaveはspi 通信を停止しますこの後 masterが5のspi stop すると CLK 不定になりますつまり slaveがspi 通信状態になるのは2~3のSS onの間で必ずmasterはSPI ready: CLK 有効です masterがspi stopしてclk 不定 (Hi-Z) の時は slaveはspi 通信を停止しています CLK 不定 (Hi-Z) の挙動は Figure 3 と Figure5 のCLKが徐々にH->Lに下降している部分ですこれはmasterがSPI stopしたためclk 不定 (Hi-Z) になり CLK 信号線の電荷が徐々に抜けて下降線を描きますこの下降途中でslaveがSPI readyだとクロックありと誤認識してビットズレになるリスクが有ります ** 最近のデバイスの入力は Hi-Zになっているのがこのリスクの理由です ** 6

7 2) slaveの動作 [ 動作 ] slaveは masterのspiポーリングに合わせて次の動作をします 1 slaveはspi stop(spi reset on) のまま LPM4でSS on 割り込みを待つ 2 SS onがくると約 5~10usでCPUがwake-upする 3 SPI ready(spi reset off) に設定し SPIステータスをIO_busy にする (IO_busyとはマルチイベントライブラリ中のペリフェラルのステータス情報を使用中にします) 4 LPM0でSPI 通信を行い CLK 信号と同期して通信メッセージの送信と受信を実行する 5 SS off がきたらSPI stop してIO_busyを解除し再度 SPI 通信が可能な状態に復帰する [ 工夫 ] IO_busyの役割と工夫システムは複数のIOを並行動作 ( 非同期 IO:IO 完了を待たない ) させて IO 完了待ちのあいだもマルチイベントで他の処理をしてシステムのスループットを上げます反面 SPI 通信中に別のイベントにより自分自身がSPI 通信を 2 重コールするケースがあるので IO_busy 中はSPIへのアクセスをしないことで2 重コールを回避しますこれはペリフェラルの排他処理の代わりです SPI 通信開始の工夫 1では先にSPI 通信の準備 (SPI 設定と送信と受信バッファ設定 ) をしてから SPI stopのままss onを待ちますこれにより SS onがきたらspi readにするだけでspi 通信が開始されます SS onが来てからspi 通信の準備をしているとその遅延のために高速通信では取りこぼしが起きるリスクがあるのでそれを回避しています SPI 通信終了の工夫 SS offを確認してから SPI stopしてio_busyを解除しますこれにより SS on 中に次のSPI 通信が2 重にコールされるのを防止しますマルチイベント処理の工夫 1のSS onを待つのは非同期 IO(IO 完了を待たない ) です他のイベントが発生すればそのイベント情報がアプリケーションに通知されその対応処理を進められます SS onもイベント情報の一つですこれはマルチイベント処理ライブラリを使う利点ですスレーブから SPI 通信を要請 Figure3の 2)slave RQSS の部分の動作を説明します 1) slaveの動作 [ 動作 ] slaveは送信する通信メッセージが発生すると次の動作をします 1 RQSSを出力して SPIステータスをIO_busyにする 2 LPM4でmasterからのSPIポーリングを待つここは前項 ) と同じ動作 7

8 [ 工夫 ] IO_busyの役割と工夫 SS onのときつまりSPIポーリングを受けているIO_busyのときは RQSSを送るのを防止しますまたすでにRQSS を送っていてIO_busyのときも RQSSを送るのを防止しますさもないと煩雑にmasterにRQSSを送ってしまい masterのrqss 処理スループットを低下させます SSとRQSS 衝突防止の工夫 RQSSを出力する前に SS 信号線を入力 +pull-downに切り替えて入力 =Low(SSが来ていない ) を確認します LPM4 wake-upの工夫 masterをlpm4からwakeupさせるためには wake-up delay 時間が必要です RQSS 信号をhigh 13us 維持してこれをdelayの代わりにしていますもしこのパルス幅が少ないと masterがwake-upしたときに入力 =Lowとなり RQSSなしと誤認識されます 2) masterの動作 [ 動作 ] masterは送信する通信メッセージがない時は下記の動作をします 1 RQSS on 割り込みを LPM4 で待つ 2 RQSS onを受けて約 5~10usでCPUがwake-upする 3 RQSS を受けた slave-id が PIO の IO-request にプールされる 4 master のアプリケーションに RQSS on 割り込み発生のイベント情報が通知される 5 アプリケーションは IO-request から slave-id を取り出して該当 slave に SPI ポーリングをする [ 工夫 ] 複数のRQSSを受ける工夫 PIOのIO-request に RQSSを受けたslave-IDが8bit 情報 (slave1~slave8) として記録されますアプリケーションがここから一つずつslave-IDを取り出して順番にSPIポーリングをして処理します slave-idを取り出す関数 uint8_t SPIm_get_SID( uint8_t *S_list ); が用意してありますマルチイベント処理の工夫 1のRQSS onを待つのは非同期 IO(IO 完了を待たない ) です他のイベントが発生すればそのイベント情報がアプリケーションに通知されその対応処理を進められます RQSS onもイベント情報の一つですこれはマルチイベント処理ライブラリを使う利点です 4 性能測定結果測定条件 :master slave MCLK:16MHz SPI baud rate: 2Mbps 8

4.1 master から SPI 通信するケース Figure 3 1)master SS では master が test コマンド+data の 16 bytes を通信した場合の観測例では SS on の SPI 通信時間は 140us です実効 0.9 Mbps (8*16B/140us) 換算になります 4.

55 Mbps(8*15B/220us) 換算になります Figure 4: getting ADC data from a slave(15 bytes) 4.

9 4.1 master から SPI 通信するケース Figure 3 1)master SS では master が test コマンド+data の 16 bytes を通信した場合の観測例では SS on の SPI 通信時間は 140us です実効 0.9 Mbps (8*16B/140us) 換算になります 4.2 salve から SPI 通信を要請するケース Figure 4 は slave が通信要求 RQSS を出して master が SPI ポーリングにより ADC 測定データ 15 bytes を受信した場合の観測例です RQSS から通信完了 SS off(low) までの時間は 220 us です実効 0.55 Mbps(8*15B/220us) 換算になります Figure 4: getting ADC data from a slave(15 bytes) 4.3 slave の情報を他の slave に配信するケース Figure 5 は次の複合動作をしたときの観測例です slave ボードの switch を押して自身の LED を点灯させたのち master に RQSS を送って master が SPI ポーリングにより LED 点灯情報 (7bytes) を受信し他の slave5 台に LED 点灯情報 (7bytes*5 台 ) を配信 RQSS から slave5 台へ配信完了 (CLK off) するまでの時間は 1.1 ms です実効 0.3 Mbps (8*7B*6units/1100us) 換算になります Figure 5: deliver the LED information from a slave, 15 bytes/a information 9

10 5 補足 1) SPI-ISR 本書の SPI 通信は可変長パケットを採用しています固定長よりもスループットが上がるとの思惑からです SPI-ISR は受信割り込みによりソフトウェア制御で通信をしていますので高速通信するには MCLK を極力早くする必要がありますまた slave の MCLK は master の MCLK と同等以上でないと通信遅れのリスクがあります Figure4の CLK が束に固まっている部分が SPI baud rate=2mbps で動作している部分でその間の隙間が SPI-ISR がソフトウェア制御している部分です SPI の baud rate をさらに上げてもこの隙間部分は小さくなりませんので MCLK=16MHz(max) では 2Mbps が限界かなと思います双方向の DMA が使えるともっと容易に高速にできると思います 2) PIO の DIR 制御 SS と RQSS の出力と入力を切り替えて衝突防止の確認をしていますが PIO の DIR を切り替えると不要な割り込みが発生するケースが有ります DIR 切り替えの前に不要な割り込み防止の回避制御が必要です詳細はソースコードで確認してください 3) 制限事項 SS と RQSS の割り込みにより LPM4 から wake-up するのに必要な時間はデバイスディペンドです FR57xx と F5xxx/F6xxx (normal mode) の LPM4 からの wake-up 時間は 150us 前後必要となり SPI 通信のスループットが低くなるのでインプリメントは見送っています以上 10

1 機能概要複数ペリフェラル ( デバイスと呼びます ) を並行動作させてその IO 完了などのイベントを1カ所で待ち合わせてイベントドリブン処理を可能にしますイベントは16 個を扱えますシーケンス処理を組めるように特定のイベントだけ選別して待ち合わせる機能があります待ち合わせるときに

1 機能概要複数ペリフェラル ( デバイスと呼びます ) を並行動作させてその IO 完了などのイベントを1カ所で待ち合わせてイベントドリブン処理を可能にしますイベントは16 個を扱えますシーケンス処理を組めるように特定のイベントだけ選別して待ち合わせる機能があります待ち合わせるときに MSP430 複数ペリフェラルを並行動作させる方式 [ マルチ IO システム ] Version3.0 2014.11.26 PIC 山内一男この方式では複数の IO 処理を並行して実行できますので MSP430 を幅広く利用できます OS を使用せずに複数ペリフェラルを並行動作させて IO 完了やソフトイベントなどを複数管理して通知することができますこれによりイベントドリブン型の並行処理システムを構築できます

1 装置構成 1.1 実験装置 下記写真が検証用に組み上げた装置外観です マスター 1 台とスレーブ 6 台で構成してあります Figure 1: Boards configuration master:msp-ts430rgz48c+fr5969 中央の黒いボード slave :MSP-EXP43

1 装置構成 1.1 実験装置下記写真が検証用に組み上げた装置外観ですマスター 1 台とスレーブ 6 台で構成してあります Figure 1: Boards configuration master:msp-ts430rgz48c+fr5969 中央の黒いボード slave :MSP-EXP43