ESP8266 ( ESP-WROOM-02 ) SPI 通信高速化、その２ ( 複数デバイス、Mode、Watchdog Timer 問題 )

では、Arduino core for ESP8266のSDカードライブラリとSPIライブラリ、そしてGPIO レジスタDirect Access を共用した使用例として、次のサンプルスケッチをご覧ください。

【ソースコード】 (※無保証　※PCの場合、ダブルクリックすればコード全体を選択できます)

#include <SPI.h>
#include <SD.h>

#define PIN_OUT *(volatile uint32_t *)0x60000300
#define PIN_OUT_SET *(volatile uint32_t *)0x60000304
#define PIN_OUT_SET_CLEAR *(volatile uint32_t *)0x60000308
#define PIN_ENABLE *(volatile uint32_t *)0x6000030C
#define PIN_ENABLE_SET *(volatile uint32_t *)0x60000310
#define PIN_ENABLE_CLEAR *(volatile uint32_t *)0x60000314
#define PIN_IN *(volatile uint32_t *)0x60000318
#define PIN_00  *(volatile uint32_t *)0x60000328
#define PIN_02  *(volatile uint32_t *)0x60000330
#define PIN_04  *(volatile uint32_t *)0x60000338
#define PIN_05  *(volatile uint32_t *)0x6000033C
#define PIN_12  *(volatile uint32_t *)0x60000358
#define PIN_13  *(volatile uint32_t *)0x6000035C
#define PIN_14  *(volatile uint32_t *)0x60000360
#define PIN_15  *(volatile uint32_t *)0x60000364

File f;

char c;
int i;

void setup() {
  delay(1000);
  Serial.begin(115200);
  Serial.println();

  PIN_OUT = (1<<5 | 1<<4 | 1); // GPIO #0,#4,#5 を出力に設定
  PIN_ENABLE = (1<<5 | 1<<4 | 1); // GPIO #0,#4,#5 の出力を有効
  PIN_00 = 0; // 0=high SD CS
  PIN_05 = 0; // DC
  PIN_04 = 0; // Reset

  if (!SD.begin(15,20000000)) {
    Serial.println("Card failed, or not present");
    // don't do anything more:
    return;
  }

  f = SD.open("test.txt", FILE_READ);
  
  SPI.begin();
  SPI.setFrequency(20000000);
  SPI.setDataMode(SPI_MODE2);
  
  Serial.println("wait-------------------");
  delay(5000);
}

void loop() {
  c = f.read();
  f.seek(0);

  SPI.setFrequency(20000000);
  SPI.setDataMode(SPI_MODE2); //※これは MODE 3 なので注意

  SpiCommandWrite(B10110010);
  SpiDataWrite(B10001001);

  SPI.setFrequency(20000000);
  SPI.setDataMode(SPI_MODE0);

  SpiCommandWrite(B10110010);
  SpiDataWrite(B10001001);

  yield();
}

void SpiCommandWrite(byte b){
  PIN_05 = 1; // 1=LOW
  PIN_00 = 1; // 1=LOW
  SPI.write(b);
  PIN_00 = 0; // 0=HIGH 
}

void SpiDataWrite(byte b){
  PIN_05 = 0; // 0=HIGH
  PIN_00 = 1; // 1=LOW
  SPI.write(b);
  PIN_00 = 0; // 0=HIGH
}

【解説】

●4-18行：
GPIO レジスタアドレスの定義です。
好きな名前に設定できます。
アドレスはESPRESSIF社の以下のサイト
ESPRESSIF Support Documents
の esp8266-technical_reference_en.pdf というファイルに表記されている通りです。
今回使わないものもありますが、今後の為に載せておきます。

●20行：
SDカードのファイルハンドルを定義

●30-34行：
今回は別のSPIデバイスを使いませんが、測定の為の例として
CS       GPIO #0
RSET  GPIO #4
DC      GPIO #5
とすると、これをレジスタDirect Access で割り当てる場合、前回の記事で述べたように、ビットをそのピン番号までシフトさせる方式を使って出力を有効にします。

PIN_OUT = (1<<5 | 1<<4 |1);
PIN_ENABLE = (1<<5 | 1<<4 |1);

#0 番ピンは　1<<0 です。
シフトしないのと同じですので、こういう表記になります。
これで、レジスタDirect Access でGPIOピンの出力が有効になります。

そして、PIN_00 = 0; とすればHIGHレベルになります。
間違えないようにしてほしいのは、０がHIGH、　１がLOWです。

●36-49行：
これは、お馴染みのSDカードとSPIの標準的な使い方ですので、説明を省きます。
SDカードとSPI通信のクロック周波数は同じ20MHz にしておきます。

●53-54行：
53行目でSDカードのテキストを１文字(1バイト）読み込みます。
54行目で読み取り位置を最初の文字に戻します。

●56-57行：
SPIライブラリを起動し、SPIモードを３にします。
先にも述べたように、ライブラリの誤りで、SPI_MODE2 がモード３です。
SDカードのモードはゼロなので、ここで変えるわけです。

●59行目：
SPIデバイスではデータを送る前にコマンドを送ります。
それは71-76行で関数化しています。
これは、OLED SSD1351 の場合の例ですが、
DCピンをLOW にして、CSピンをLOWにしてコマンドを出力します。

●60行目：
SPIデバイスに実データを送ります。
78-83行で関数化してます。
これも、OLED SSD1351 の場合の例ですが、
DCピンをHIGHにして、CSをLOWにすればデータ出力できます。

【測定開始】

では、予めmicro SDHC カードにtext.txt ファイルを作っておき、”testing 1, 2, 3, ” と入力して保存しておきます。

シリアルモニタに “wait———–” と出たら５秒以内にロジアナ LAP-C を起動して測定するとこんな感じになりました。

メインloop() 開始直後、初回の micro SDHC カードの文字を読み込むまでは450us も時間がかかっています。
その後、テキストを読み込むわけですが、拡大した図はこんな感じになります。

SCLK 信号はちゃんと SPI mode 0 になってますね。
ただ、疑問なのが、c = f.read(); で１文字読み込むと思いきや、全文字読み込んでしまっています。これは何故でしょうか？？？　さっぱり分かりません。

その先の信号を拡大してみてみると、こうなります。

loop() を繰り返したら再びSDカードを読み込むと思いきや、一切読み込んでません。
はて？？？
これは、最初にテキストを読み込んだら、SRAMに記憶しているんでしょうか？
謎です。
どなたか解る方がいらっしゃったら教えていただきたいです。

さて、SDカードの読み書きをする場合のSPI信号はmode 0 でした。
OLED SSD1351 は mode 3 なので、SDカードを読み込んだ後、モードを変えなければなりません。
それが、56-57行目の
SPI.setFrequency(20000000);
SPI.setDataMode(SPI_MODE2);
というわけです。

スケッチ中にこれを入れるのと入れないのとでは時間的に違いがあるのかどうかをロジアナで調べてみるとこんな感じでした。

入れない場合の休止時間が9.3us
入れた場合の休止時間が9.41us

ということで、それほど大きく遅れないということでヨシとします。

実際に入れた場合で、モード切替部分の波形を拡大してみるとこんな感じです。

ちゃんとモードが変えられてますね。
これが変えることができれば、複数のSPIデバイスをコントロールできるということになります。
しっかり、CSやDCピンも動作しているのでバッチリです。

以上です。

５．まとめ

今回はSPIインターフェースについて、更なる発見と多くを学びました。

SDカードも含めた複数のSPIデバイスを使うには、SCLK信号のモード切替ができるかどうかがキモでした。
それと、whileなどの無限ループを組む場合はウォッチドッグタイマを意識して、休止時間を設けることが重要だということを学びました。

そして、それを踏まえたうえで、ライブラリのクロック周波数を最大限まで上げて、GPIO レジスタDirect Access を使えば、かなり速度アップできることを学びました。

ライブラリをよくよく解読してみると、やっぱり、Arduino core for ESP8266 ライブラリでは SPI のレジスタ直叩きを使用しておりましたね。
これには感服いたしました。さすがです。

と、いうことで、これでSPIデバイスは怖くなくなりました。
次回からいろいろと応用していこうと思います。

ではまた・・・。