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

こんばんは。

前回の記事では、Arduino core for ESP8266ライブラリのdigitalWrite() は速度が遅く、レジスタにダイレクトアクセスした方が３倍速くなり、さらにSPIライブラリ中のSCLK信号生成にdigitalWrite()関数を使っている場合では、GPIO レジスタ Direct Access にすれば高速化できるというお話でした。

Adafruit の OLED ( 有機EL ) SSD1351 ライブラリは、そのままではESP8266 ( ESP-WROOM-02 ) では使えなくて、shiitakeo さんによる digitalWrite() 仕様に改変すれば動くようになりました。 （こちらの記事参照）
そして、そのdigitalWrite() をGPIO レジスタDirect Access に変えれば高速化できます。

実は、ツイッターで@arms22 さんから Arduino core for ESP8266 のSPIライブラリでSPI.setFrequency を使えば速度が上げられるということを教えていただきました。
Adafruitライブラリ中のSPIライブラリは使えないと思っていたのですが、よくよく調べてみると使えるということが分かったんです。

それで、ESPRESSIF社の以下のサイト
ESPRESSIF Support Documents
にある esp8266-technical_reference_en.pdf というファイルをよく読んでみると、レジスタDirect Access でSPI設定もできるじゃぁないですか・・・！

そこで、Arduino core for ESP8266 標準の SPI ライブラリを更に解読してみました。
すると、ちゃんとライブラリ中でSPIのレジスタDirect Access を使っているじゃぁないですか！！！

また、前回の記事で、メインloop() よりもForループやwhileループの方が速いということ述べましたが、実は、メインloop() ではウォッチドッグタイマが動作していて、それで休止時間が生じているということが分かりました。
つまり、ESP8266 ではWi-Fi機能などやその他の機能の監視をループ中に行う余地が無ければ、正常に動作しないようです。
WiFi.begin を動作させて、loop()内でwhile(1)ループを作ってしまうと、シリアルモニタにWDTエラーになって、延々とリセットを繰り返します。
WDT とはつまり、ウォッチ・ドッグ・タイマ というわけですね。
いや～、お恥ずかしながら、これは知りませんでした・・・。

要するに、私がESP8266 やSPIについていろいろと無知だっただけなんですけど、今回は新たな発見があり、とても勉強になりました。
@arms22さんに感謝です。

前回説明したレジスタ Direct Access は CS や DC 信号に使えますので、それと合わせてSPIライブラリを高速化して使えば、SPI については最大速度で使用することができます。
それについてはいろいろと注意点がありました。

では、具体的にスケッチやプログラミングでどのように使っていったら良いのかを説明していきたいと思います。

１．SPIデバイスの最大周波数の確認

まず、使うSPIデバイスの最大周波数を確認します。
データシートに大体記載されています。
例えば、OLED SSD1351 の場合はデータシートのタイミングチャートにこんな感じで記載されています。

Clock Cycle Time 最少 = 50 ns

とあります。
つまり、SCLK パルス１波長50ns ということは周波数でいうと20MHz になります。
これを調べた上で、ESP8266 ( ESP-WROOM-02 ) のSPI 周波数を決めます。

因みに、Amazonで販売している、このTFT液晶ディスプレイ

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２．SPI ライブラリの使い方

では、まず、以下の簡単なスケッチをArduino IDE に入力してみます。
ESP8266 ボード設定は下図の様にCPU Frequency = 160MHz にしておきます。

【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>

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

  SPI.begin();
  SPI.setFrequency(20000000);
  SPI.setDataMode(SPI_MODE2); //※これは実は Mode 3
  
  Serial.println("wait-------------------");
  delay(5000);
}

void loop() {
  for(int i=0; i<8; i++){
    SPI.write(B10010010);
  }
}

【解説】
シリアルモニタに” wait—————-” と表示されたら５秒以内にロジアナを起動させて測定するプログラムです。

9行目の
SPI.setFrequency(20000000);
というところで、SPI信号を20MHz で出力させます。
前回の記事で、GPIO レジスタ Direct Access では最高6MHz ですので、それのさらに３倍以上の速度です。
先にも述べたように、OLED SSD1351 側の受け入れクロック周波数は20MHz までですので、これに合わせます。

10行目で、SPI のモードを設定します。
しかし、いささか問題がありました。後で述べます。

GPIO MOSIピンに8bit データを出力させるには、18行目のように
SPI.write(B10010010);
という感じでＯＫです。
MOSIピンを指定する必要はありません。
SPIライブラリを使うと自動的にESP8266 のGPIO #13 に割り当てられます。

では、これをコンパイル書き込み実行させます。

ロジックアナライザ ZEROPLUS LAP-C を使って測定していきます。
ロジアナがあると無いのとでは雲泥の差でエラー原因特定やデバッグに有利です。
私はこれを買ってホントに正解だったと思っています。

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では、まず、ザッとロジック波形はこんな感じになりました。

前回の記事で述べましたが、メインloop()の繰り返しより、forループの繰り返しの方が速いですね。
forループの初回の後は長めの休止区間、２回目以降は短めの休止区間があります。
これについては解明しましたので、後で述べます。

パルスをズームして見てみるとこうなります。

そうなんです。
スケッチ上でSPI_MODE2 と指定しているのに、パルスがMODE 3 になってます。
SPIインターフェースのMODEの違いは以下の様なはずです。

【 Mode 0 】

【 Mode 1】

【 Mode 2】

【 Mode 3】

SPI.write(B10010010); で送っているMOSI信号のビットを見てみても、明らかにMode 3 ですよね。
これは私の考え方が間違っているのか、Arduino core for ESP8266 ライブラリが間違えているのか・・・？

いずれにしても、OLED SSD1351 のデータシートでもMode 3 で記述してあり、それでしか動かないので、ライブラリが誤っていると思われます。

ということで、皆さん、気を付けてください。
ESP8266 のSPI ライブラリでは、
SPI.setDataMode(SPI_MODE2);　は　Mode 3 です！！