Программируем Arduino. Основы работы со скетчами

В следующей главе мы исследуем еще одну разновидность последовательного интерфейса с названием SPI.

9. Взаимодействие с устройствами SPI

Последовательный периферийный интерфейс (Serial Peripheral Interface, SPI) — еще одна последовательная шина для подключения периферийных устройств к плате Arduino. Это быстрая шина, но для передачи данных в ней используются четыре линии против двух, используемых интерфейсом I2C. В действительности SPI не является истинной шиной, так как четвертая линия в нем называется «выбор ведомого» (Slave Select, SS). Каждое периферийное устройство на шине должно быть соединено своей линией SS с отдельным контактом на плате Arduino. Такая схема подключения эффективно выбирает нужное периферийное устройство на шине, отключая все остальные.

Интерфейс SPI поддерживается широким спектром устройств, включая многие типы тех же устройств, что поддерживают I2C. Нередко периферийные устройства поддерживают оба интерфейса, I2C и SPI.

Операции с битами

Взаимодействие по интерфейсу SPI часто связано с выполнением большого объема операций с отдельными битами. Первый пример, демонстрирующий использование АЦП на основе микросхемы MCP3008, в частности, требует хорошего понимания битовых операций и того, как маскировать ненужные биты, чтобы получить целое значение при чтении аналогового сигнала. По этой причине, прежде чем погружаться в особенности работы SPI, я хочу подробно поговорить об операциях с битами.

Двоичное и шестнадцатеричное представление

Впервые с битами мы встретились в главе 4 (см. рис. 4.2). Оперируя битами в байте или в слове (два байта), можно использовать их десятичные значения, но выполнять мысленно преобразования между двоичным и десятичным представлениями очень неудобно. Поэтому в скетчах для Arduino значения часто выражаются в виде двоичных констант, для чего поддерживается специальный синтаксис:

byte x = 0b00000011; // 3

unsigned int y = 0b0000000000000011; // 3

В первой строке определяется байт с десятичным значением 3 (2 + 1). Ведущие нули при желании можно опустить, но они служат отличным напоминанием о том, что определяется 8-битное значение.

Во второй строке определяется значение типа int, состоящее из 16 бит. Квалификатор unsigned перед именем типа int указывает, что определяемая переменная может хранить только положительные числа. Этот квалификатор имеет значение лишь для операций с переменной, таких как +, –, * и др., которые не должны применяться, если переменная предназначена для манипуляций с битами. Но добавление слова unsigned в определения таких переменных считается хорошей практикой.

Когда дело доходит до 16-битных значений, двоичное представление становится слишком громоздким. По этой причине многие предпочитают использовать шестнадцатеричную форму записи.

Шестнадцатеричные числа — это числа в системе счисления с основанием 16, для обозначения цифр в этой системе используются не только десятичные цифры от 0 до 9, но и буквы от A до F, представляющие десятичные значения от 10 до 15. В этом представлении каждые четыре бита числа можно представить единственной шестнадцатеричной цифрой. В табл. 9.1 перечислены десятичные значения от 0 до 15 и показаны их двоичные и шестнадцатеричные представления.

Таблица 9.1. Двоичные и шестнадцатеричные числа

Десятичное значение

Двоичное значение

Шестнадцатеричное значение

0

0000

0

1

0001

1

2

0010

2

3

0011

3

4

0100

4

5

0101

5

6

0110

6

7

0111

7

8

1000

8

9

1001

9

10

1010

A

11

1011

B

12

1100

C

13

1101

D

14

1110

E

15

1111

F

Шестнадцатеричные константы, как и двоичные, имеют специальную форму записи:

int x = 0x0003; // 3

int y = 0x010F; // 271 (256 + 15)

Эту форму записи используют не только в программном коде на C, но и в документации, чтобы показать, что число является шестнадцатеричным, а не десятичным.

Маскирование битов

Нередко при приеме данных от периферийных устройств, независимо от вида связи, данные поступают упакованными в байты, в которых часть битов может нести служебную информацию. Создатели периферийных устройств часто стараются втолкнуть как можно больше информации в минимальное число бит, чтобы добиться максимальной скорости передачи, но это усложняет программирование взаимодействий с такими устройствами.

Операция маскирования битов позволяет игнорировать некоторую часть данных в байте или в большой структуре данных. На рис. 9.1 показано, как выполнить маскирование байта, содержащего разнородные данные, и получить число, определяемое тремя младшими битами.

Рис. 9.1. Маскирование битов