Рис. 9.1. Маскирование битов
В описаниях двоичных чисел вы обязательно столкнетесь со словосочетаниями «самый младший» и «самый старший». В двоичных числах, записанных с соблюдением правил, принятых в математике, самым старшим битом является крайний левый бит, а младшим значащим — крайний правый. Крайний правый бит может иметь ценность только 1 или 0. Вам также встретятся термины самый старший бит (Most Significant Bit, MSB) и самый младший бит (Least Significant Bit, LSB). Самый младший бит иногда называют также нулевым битом (бит 0), первый бит (бит 1) — следующий по старшинству и т.д.
В примере, изображенном на рис. 9.1, байт включает несколько значений, но нас интересуют только три младших бита, которые нужно извлечь как число. Для этого можно выполнить поразрядную операцию И (AND) данных с маской, в которой три младших бита имеют значение 1. Поразрядная операция И (AND) для двух байт в свою очередь выполняет операцию И (AND) для каждой пары соответствующих битов и конструирует общий результат. Операция И (AND) для двух битов вернет 1, только если оба бита имеют значение 1.
Далее показана реализация этого примера на Arduino C с использованием оператора &. Обратите внимание на то, что поразрядная операция И (AND) обозначается единственным символом &, а логическая операция И (AND) — двумя: &&.
byte data = 0b01100101;
byte result = (data & 0b00000111);
Переменная result в данном случае получит десятичное значение 5.
Сдвиг битов
Часто необходимые биты в принимаемых данных могут занимать не самые младшие разряды в байте. Например, если из данных, изображенных на рис. 9.1, потребуется извлечь число, определяемое битами с 5-го по 3-й (рис. 9.2), то вам придется сначала применить маску, чтобы оставить интересующие биты, как в предыдущем примере, а затем сдвинуть биты на три позиции вправо.
Сдвиг вправо в языке C выполняется оператором >>, за которым следует число, определяющее количество разрядов, на которое производится сдвиг. В результате часть битов будет сдвинута за границу байта. Далее приводится реализация примера из предыдущего раздела на языке C:
byte data = 0b01101001;
byte result = (data & 0b00111000) >> 3;
Представьте, что вы получили два 8-битных байта и должны собрать из них одно 16-битное значение типа int. Для этого можно сдвинуть биты старшего байта в один конец значения int, а затем прибавить второй байт. Этот процесс иллюстрирует рис. 9.3.
Рис. 9.2. Маскирование и сдвиг битов
Рис. 9.3. Объединение двух байтов в значение типа int
Чтобы реализовать это в Arduino C, нужно сначала записать highByte в переменную результата типа int, сдвинуть влево на восемь позиций, а потом прибавить lowByte:
byte highByte = 0x6A;
byte lowByte = 0x0F;
int result = (highByte << 8) + lowByte;
Аппаратная часть SPI
На рис. 9.4 изображена типичная схема подключения к Arduino двух ведомых устройств.
Рис. 9.4. Плата Arduino и два ведомых устройства SPI
Линии тактового сигнала системы (System Clock, SCLK), выход ведущего/вход ведомого (Master Out Slave In, MOSI) и вход ведущего/выход ведомого (Master In Slave Out, MISO) подключаются к контактам на плате Arduino с теми же именами, которые в модели Uno соответствуют контактам D13, D11 и D12. В табл. 9.2 перечислены наиболее распространенные модели плат и соответствие контактов линиям интерфейса SPI.
Таблица 9.2. Контакты интерфейса SPI на плате Arduino
Модель
SCLK
MOSI
MISO
Uno
13 (ICSP3)
11 (ICSP4)
12 (ICSP1)
Leonardo
ICSP3
ICSP4
ICSP1
Mega2560
52 (ICSP3)
51 (ICSP4)
50 (ICSP1)
Due
ICSP3
ICSP4
ICSP1
Линиями выбора ведомого могут быть любые контакты на плате Arduino. Они используются для выбора определенного ведомого устройства непосредственно перед передачей данных и его отключения по завершении обмена данными.
Ни к одной из линий не требуется подключать подтягивающее сопротивление.
Поскольку в некоторых моделях Arduino, в том числе Leonardo, контакты интерфейса SPI имеются только на колодке ICSP, многие платы расширений часто имеют гнезда SPI для подключения к колодке контактов ICSP. На рис. 9.5 изображена колодка ICSP с подписанными контактами.
Рис. 9.5. Контакты ICSP на плате Arduino Uno
Обратите внимание на то, что на плате Arduino Uno имеется вторая колодка ICSP, рядом с кнопкой сброса. Она предназначена для программирования интерфейса USB.
Протокол SPI
Протокол SPI на первый взгляд кажется сложным и запутанным, потому что данные передаются и принимаются обеими сторонами, ведущим и выбранным ведомым, параллельно. Одновременно с передачей ведущим устройством (Arduino) бита по линии MOSI ведомое устройство посылает другой бит по линии MISO плате Arduino.
Обычно Arduino посылает байт данных и затем восемь нулей, одновременно принимая результат от ведомого устройства. Так как частота передачи устанавливается ведущим устройством, убедитесь в том, что она не слишком высока для ведомого устройства.
Библиотека SPI
Библиотека SPI входит в состав Arduino IDE, поэтому вам не придется ничего устанавливать, чтобы воспользоваться ею. Но она поддерживает только сценарии, когда плата Arduino действует в роли ведущего устройства. Кроме того, библиотека поддерживает передачу данных только целыми байтами. Для большинства периферийных устройств этого вполне достаточно, однако некоторые устройства предполагают обмен 12-битными сообщениями, что несколько осложняет обмен из-за необходимости манипуляций с битами, как будет показано в примере в следующем разделе.
Прежде всего, как обычно, необходимо подключить библиотеку SPI:
#include <SPI.h>
Затем инициализировать ее командой SPI.begin в функции запуска передачи:
void setup()
{
SPI.begin();
pinMode(chipSelectPin, OUTPUT);
digitalWrite(chipSelectPin, HIGH);
}
Для моделей платы Arduino, кроме Due, нужно также настроить цифровые выходы для всех линий выбора ведомых устройств. Роль таких выходов могут играть любые контакты на плате Arduino. После настройки их на работу в режиме выходов требуется сразу же установить на них уровень напряжения HIGH из-за инвертированной логики выбора ведомого, согласно которой напряжение LOW означает, что данное устройство выбрано.
Для модели Due имеется расширенная версия библиотеки SPI, поэтому достаточно определить контакт для выбора ведомого — и библиотека автоматически будет устанавливать на нем уровень LOW перед передачей и возвращать уровень HIGH по ее окончании. Для этого нужно передать команде SPI.begin аргумент с номером контакта. Недостаток такого подхода заключается в нарушении совместимости с другими моделями Arduino. В примерах, приводимых далее, все ведомые устройства выбираются вручную, и потому эти примеры будут работать на всех платах Arduino.
Для настройки соединения через интерфейс SPI имеется множество вспомогательных функций. Однако параметры по умолчанию вполне подходят для большинства случаев, поэтому изменять их нужно, только если документация с описанием ведомого устройства требует их изменения. Эти функции перечислены в табл. 9.3.
