基于SPI方式DSP外部E2PROM接口設計

　　0 引 言

　　近年來，隨著DSP技術的普及、高性能DSP芯片的出現，DSP已越來越多地被廣大的工程師所接受，并越來越廣泛地被應用于各個領域，例如：語音處理、圖像處理、模式識別及工業控制等，并且已日益顯示出其巨大的優越性。DSP是利用專門或通用的數字信號處理芯片，以數字計算的方法對信號進行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強、體積小及可靠性高等優點，滿足了對信號快速、精確、實時處理及控制的要求。

　　在語音處理、圖像處理、模式識別及工業控制中，少不了對必要的數據進行存儲保護。如果存儲在內外RAM之中，掉電數據就丟失，起不到保護數據的作用；存儲在FLASH中，由于對FLASH進行數據寫入時，要先進行擦除操作，然后才能整頁的寫入，如果每次寫入的數據比較少，這樣就要占據很大的CPU時間，操作比較麻煩。

　　針對這些缺點，根據多年的研發經驗，結合實際，提出一種基于SPI方式的外部數據擴展方式。本文所用到的數據存儲器是Xicor公司生產的帶有塊鎖保護的4 Kb CMOS串行E2PROM X5043(接口符合SPI協議)。該器件利用Xicor專有的直接寫入晶片，提供最小為10萬次擦寫和最少100年的數據保存期。數據寫入之前不需要外部進行擦除操作，芯片本身自動完成。同時X5043還具有上電復位、看門狗定時器、電源電壓監控四種常用的功能。這種組合不但降低了系統成本、減少了電路板空間，還增加了系統可靠性。

　　1 SPI協議

　　圖1是典型的SPI協議。SPI協議采用主從設置，相互連接的設備中一個作為主設備，其他的設備作為從設備。接口連線主要包括4條信號線：串行數據輸入信號線，(Master In Slave Out，MIS())；串行數據輸出信號線(Master Out Slave In，MOSI)；移位時鐘信號線(SCK)；從設備片選信號線(SS)。

　　2 VC5402的多通道緩存串行口(McBSP)

　　2．1 McBSP的功能特點

　　TMS320V5402是TI生產的第二代低功耗定點數字信號處理器，提供了兩個高速、全雙工、多通道緩存串行口，每個串行口可以支持128通道，速度達100 Mb／s。McBSP是在標準串行接口的基礎之上對功能進行擴展，因此，具有與標準串行接口相同的基本功能：

　　(1)全雙工通信；

　　(2)擁有兩級緩沖發送和三級緩沖接收數據寄存器，允許連續數據流傳輸；

　　(3)為數據發送和接收提供獨立的幀同步脈沖和時鐘信號；

　　(4)能夠與工業標準的解碼器、模擬接口芯片(AICs)和其他串行A／D和D／A設備直接連接；

　　(5)支持外部移位時鐘或內部頻率可編程移位時鐘。

　　此外，McBSP還具有的其他特殊功能，本文所用到的有：

　　(1)串行字長度可選，包括8，12，16，20，24和32位可選。

　　(2)進行8位數據傳輸時，可以選擇LSB或MSB為起始位；

　　(3)幀同步脈沖和時鐘信號的極性可編程；

　　(4)內部時鐘和幀同步脈沖的產生可編程，具有相當大的靈活性。

　　2．2 McBSP與X5043的接口設計

　　X5043的外部接口符號SPI協議規范。DIP封裝的X5043有8個管腳組成，各個管腳功能如下所示：

　　CS：片選端，當CS為低時，X5043選中。在任何操作之前，需要先在CS上有一次由高至低的跳變；

　　SO：串行數據輸出端，當讀周期時，數據從該引腳移出；

　　SI：串行數據輸入引腳，所要寫入存儲器的操作碼，字節地址和數據都從該引腳輸入；

　　WP：當WP為低時，向X5043的非易失性寫被禁止，但器件其他功能正常，為高時，所用功能都正常；

　　SCK：串行時鐘端。串行時鐘控制串行總線數據輸入和輸出的時序。

　　McBSP的時鐘停止模式與SPI協議兼容。當McBSP處于時鐘停止模式時，發送器和接收器是內部同步的，因此可以將McBSP作為SPI主設備或從設備。當設置McBSP為主設備時，發送端輸出信號DXR就作為SPI協議的MOSI信號，接收端輸入信號DRR就作為SPI協議的MISO信號。發送幀同步脈沖信號FSX作為從設備片選信號SS，而發送時鐘信號CLKX就與SPI協議的串行時鐘信號SCK相對應。由于接收時鐘信號CLKR和接收幀同步脈沖信號FSR與發送端的相應部分CLKX和FSX在內部相互連接，因此這些信號不用于時鐘停止模式。該設計中McBSP作為主設備使用。X5043與McBSP的接口電路如圖2所示。

　　3 軟件設計

　　軟件設計主要包括DSP相關寄存器的配置，X5043狀態寄存器的配置，以及X5043的讀寫操作。

　　3．1 寄存器的配置

　　DSP端需要配置的寄存器主要包括CLKMD，SPCR[1，2]，XCR[1，2]，RCR[1，2]，SRGR[1，2]，PCR等。

　　其中CLKMD主要配置DSP的時鐘；XCR[1，2]，RCR[1，2]主要配置接收和發送數據的幀的個數、幀長以及字長。根據對X5043操作的不同，發送和接收的字長也不同，但是針對某一種操作，接收和發送字長是一樣的；SRGR[1，2]主要是對CLKGDV，CLKSM，FSGM三個位域的配置；SPCR[1，2]主要是對CLKSTP位域的配置，因為它決定了McBSP是采用時鐘停止模式(SPI模式)還是正常模式；引腳控制寄存器(PCR)配置了各個引腳的工作狀態。

　　值得注意的是在配置McBSP的寄存器之前，首先要使發送、接收和分頻器復位，配置完SPCR[1，2]，XCR[1，2]，RCR[1，2]，PCR后，使分頻器置位，等待兩個時鐘周期，在配置SRGR[1，2]，然后使發送和接收置位在等待兩個時鐘周期，這時才可以進行其他操作。

　　3．2 X5043的讀寫操作

　　X5043的讀操作包括讀狀態寄存器、讀存儲器陣列(即讀數據)。寫操作包括寫使能／寫禁止、寫狀態寄存器、寫存儲器陣列(寫數據)。X5043的指令組如表1所示。

　　下面主要講一下對單個數據的讀寫操作。

　　3．2．1 寫一個字節操作

　　寫操作之前必須寫使能，即向X5043先發送數據(06H)。首先將CS拉低，然后向器件輸入WREN指令，在將CS拉高。再次將CS拉低并輸入WRITE指令，后面跟隨8位地址，在后面需要寫入的數據。WRITE指令的位3是地址位A8，它選擇是陣列的高半部分還是低半部分。如果CS在WREN和WRITE之間沒變為高，則WRITE指令被忽略。寫操作時序如圖3所示。

　　在字節的最后一個位0寫入后，CS必須被拉高。如果它在其他時間拉高，寫操作不完全。在存儲器寫操作之后跟隨一次非易失性寫操作。可以通過讀狀態寄存器的WIP位來判斷非易失性寫是否結束。只有非易失性寫結束之后才可以進行下次寫操作。

　　值得注意的是McBSP在SPI模式下，只有數據發送的時候CLKX端才有時鐘輸出，FSX端才輸出低電平的幀同步信號。因為在發送寫使能和寫數據指令之間要求CS(即FSX)變高，所以DSP要分兩次把數據送給X5043。且這兩次發送的字長不同(寫使能一個字節，寫數據三個字節)，所以在發送之前需要重新配置McBSP。

　　3．2．2 讀一個字節操作

　　當從E2PROM存儲器陣列讀數據時，首先CS通過FSX引腳拉低為低電平，然后送READ指令到器件，后面跟隨8位地址，在后面就是發送8位無意義的數據(目的是為了繼續產生時鐘信號)。發送結束后，所選地址中的數據從SO端移出到McBSP的數據接收引腳。讀操作時序如圖4所示。

　　讀操作和寫操作一樣，都是發送三個字節的數據，所以McBSP的串口字長要配置為24位。讀操作發出以后，通過查看SPCR1寄存器的RRDY位來判斷接收數據是否完成，若RRDY為1，則讀DRR寄存器獲取數據。

　　3．3 值得注意的地方

　　無論是寫使能／寫禁止、寫狀態寄存器還是寫數據，當McBSP相應數據發送結束后，McBSP的時鐘和幀同步信號都將變為無效狀態，這種無效狀態要保持至少10μs之上(否則數據將無法正確寫入)，然后在讀取X5043的狀態寄存器，判斷非易失性寫是否結束，結束了才可以進行其他操作。

　　4 結 語

　　通過SPI接口外接E2PROM，簡化了硬件電路，提高了系統的可靠性和開發難度，具有很實際的應用價值。