在Nucleo STM32F401RE上使用SPI DMA方式提高W5500傳輸速率

WIZnet W5500 支持高達 80MHz SPI 時鐘,所以用戶可用 MCU來提供一個最大傳輸速率的高速以太網SPI通訊。本文中,我將展示如何用STM32 MCU來讓W5500達到最大傳輸速率。

當使用來自STMicro的Cortex M3/M4產線的32位處理器,以太網傳輸速率可以在使用SPI通訊模式事產生最大變化。我將比較使用SPI標準模式和SPI DMA模式的不同傳輸速率。

組成

MCU : Nucleo STM32F401RE

以太網控制器 : WIZnet WIZ550io(內嵌 W5500)

引腳連接
MCU與WIZnet WIZ550io之間的引腳連接,請參見下表。
首先,連接電源線。

其次,連接SPI信號。連接SCS 引腳到GPIOA_Pin12,因為我將用軟件方法處理它。

第三,連接 RSTn 引腳到 GPIOA_Pin11 來複位WIZ550io.

最後, 用GPIOA_pin1這個引腳連接到W550io的RDY引腳上完成初始化.

RSTn 引腳和 RDY 引腳的連接並不至關重要,但是連上更穩定.

Nucleo1

Nucleo2

怎樣實現SPI協議 

SPI 協議控制W5500和在SPI標準模式及SPI DMA模式是相同的。然而,這兩種模式之間的不同是,在SPI總線的數據之間的空閑時間。

用於W5500的SPI協議在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)

當SPI DMA 模式未使用時, 內部函數調用標準SPI 讀/寫函數,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();

當使用 SPI DMA 模式時,準備命令數據,由地址和操作碼組成,稱作 SPI_DMA_READ() 函數。

#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來完成全雙攻通信”, SPI_DMA_READ() 和 SPI_DMA_WRITE() 是由使用SPI DMA模式的代碼組成的。

標準 SPI 模式 & SPI DMA 模式的性能比較 

下面相關數據的源代碼是用於loopback測試的例程。可以看到在標準SPI模式和SPI DMA模式中存在多大的性能差異。

標準SPI模式

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

如果你把“#define SPI_DMA” 行打上注釋,你將在標準SPI模式下操作。

如果你在Nucleo板上編譯之後下載了二進制文件,並用WIZnet提供的AX1.exe上做了loopback的測試,隨後傳輸和接收就如下圖所示分別能達到 1.6Mbps,我們可知SPI全速傳輸速率高達3.2Mbps。

Nucleo3

這裡, SPI 時鐘是 24MHz,你可以清晰的看到在SPI數據間的空閑時間。

Nucleo4

SPI DMA 模式

#ifndef SPI_DMA
#define SPI_DMA
#endif

如上, 移去 “#define SPI_DMA”行注釋.

接下來, 如果你下載二進制文件到 Nucleo, 然後你就能看到 SPI DMA 模式的傳輸速率。傳輸和接收的loopback測試性能可分別達到  4.3Mbps,並且 SPI全速傳輸速率超過 8Mbps。如果你使用自己的板子,並且有一個高速的外部時鐘來代替Nucleo 板, 隨之你就得到了更快的傳輸速率。

Nucleo5
這裡, 你可以看到無任何空閑時間的連續SPI通訊,如下圖。

Nucleo6

by James YS Kim