在Nucleo STM32F401RE上使用SPI DMA方式提高W5500传输速率

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WIZnet W5500 支持高达 80MHz SPI 时钟,所以用户可用 MCU来提供一个最大传输速率的高速以太网SPI通讯。本文中,我将展示如何用STM32 MCU来让W5500达到最大传输速率。

当使用来自STMicro的Cortex M3/M4产线的32位处理器,以太网传输速率可以在使用SPI通讯模式事产生最大变化。我将比较使用SPI标准模式和SPI DMA模式的不同传输速率。

组成

MCU : Nucleo STM32F401RE

以太网控制器 : WIZnet WIZ550io(内嵌 W5500)

引脚连接
MCU与WIZnet WIZ550io之间的引脚连接,请参见下表。
首先,连接电源线。

其次,连接SPI信号。连接SCS 引脚到GPIOA_Pin12,因为我将用软件方法处理它。

第三,连接 RSTn 引脚到 GPIOA_Pin11 来复位WIZ550io.

最后, 用GPIOA_pin1这个引脚连接到W550io的RDY引脚上完成初始化.

RSTn 引脚和 RDY 引脚的连接并不至关重要,但是连上更稳定.

Nucleo1

Nucleo2

怎样实现SPI协议 

SPI 协议控制W5500和在SPI标准模式及SPI DMA模式是相同的。然而,这两种模式之间的不同是,在SPI总线的数据之间的空闲时间。

用于W5500的SPI协议在WIZnet ioLibrary中W5500.c中提供,具有如下功能。

  • WIZCHIP_READ(uint32_t AddrSel)
  • WIZCHIP_WRITE(uint32_t AddrSel, uint8_t wb)
  • WIZCHIP_READ_BUF(uint32_t AddrSel, uint8_t* pBuf, uint16_t len)
  • WIZCHIP_WRITE_BUF(uint32_t AddrSel, uint8_t* pBuf, uint16_t len)

当SPI DMA 模式未使用时, 内部函数调用标准SPI 读/写函数,比如下面的WIZCHIP_READ_BUF() 功能。

#if !defined (SPI_DMA)
WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x00FF0000) >> 16);
WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x0000FF00) >> 8);
WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x000000FF) >> 0);
for(i = 0; i < len; i++) pBuf[i] = WIZCHIP.IF.SPI._read_byte();

当使用 SPI DMA 模式时,准备命令数据,由地址和操作码组成,称作 SPI_DMA_READ() 函数。

#else
spi_data[0] = (AddrSel & 0x00FF0000) >> 16;
spi_data[1] = (AddrSel & 0x0000FF00) >> 8;
spi_data[2] = (AddrSel & 0x000000FF) >> 0;
SPI_DMA_READ(spi_data, pBuf, len);
#endif

正如在“如何在STM32F2xx or STM32F4xx中使用SPI DMA来完成全双攻通信”, SPI_DMA_READ() 和 SPI_DMA_WRITE() 是由使用SPI DMA模式的代码组成的。

标准 SPI 模式 & SPI DMA 模式的性能比较 

下面相关数据的源代码是用于loopback测试的例程。可以看到在标准SPI模式和SPI DMA模式中存在多大的性能差异。

标准SPI模式

在 spi_handler.h 中
#ifndef SPI_DMA
//#define SPI_DMA
#endif

如果你把“#define SPI_DMA” 行打上注释,你将在标准SPI模式下操作。

如果你在Nucleo板上编译之后下载了二进制文件,并用WIZnet提供的AX1.exe上做了loopback的测试,随后传输和接收就如下图所示分别能达到 1.6Mbps,我们可知SPI全速传输速率高达3.2Mbps。

Nucleo3

这里, SPI 时钟是 24MHz,你可以清晰的看到在SPI数据间的空闲时间。

Nucleo4

SPI DMA 模式

#ifndef SPI_DMA
#define SPI_DMA
#endif

如上, 移去 “#define SPI_DMA”行注释.

接下来, 如果你下载二进制文件到 Nucleo, 然后你就能看到 SPI DMA 模式的传输速率。传输和接收的loopback测试性能可分别达到  4.3Mbps,并且 SPI全速传输速率超过 8Mbps。如果你使用自己的板子,并且有一个高速的外部时钟来代替Nucleo 板, 随之你就得到了更快的传输速率。

Nucleo5
这里, 你可以看到无任何空闲时间的连续SPI通讯,如下图。

Nucleo6

by James YS Kim