Ist SPI wesentlich schneller als Bit-Banging?

Angenommen, Sie vergleichen ein Spi-Peripheriegerät oder eine synchrone serielle "Engine" im Mikro mit der Erzeugung derselben Sequenz durch "Bit-Banging", dann ja, es ist tendenziell etwas schneller, aber was noch wichtiger ist, der Prozessor kann ein ganzes Byte an übergeben das Peripheriegerät zu senden und dann andere Dinge zu tun, während es übertragen wird. Im Bit-Banging-Fall neigt der Prozessor dazu, während der Übertragung gebunden zu sein (obwohl das Mikro dazu neigt, der Master zu sein und die meisten Peripheriegeräte vollständig statisch sind, können Sie wahrscheinlich tolerieren, mitten im Byte anzuhalten, um einen Interrupt zu bedienen oder sogar abzufragen Dinge - schnittstellengetaktete serielle ADC und Sample-Intervall-Tasks sind bemerkenswerte Beispiele für Ausnahmen).

Auf leistungsfähigeren MCUs kann es sogar möglich sein, einen DMA-Controller so zu programmieren, dass er ohne weitere Aufmerksamkeit des Prozessors eine Multibyte-Übertragung vom Speicher durch die SPI-Engine ausführt, insbesondere wenn nur Daten in einer Richtung wichtig sind.

Aber viele Mikrocontroller-Projekte sind am Ende hochoptimiert für ihre Aufgabe; Wenn Sie die Zyklen ersparen und die Geschwindigkeitsreduzierung tolerieren können, ist es keineswegs eine ungewöhnliche Wahl, Ihre Software zu komplizieren, um in der Lage zu sein, alle GPIOs zu verwenden, die das physische Layout sauberer machen.

Vorteile des Bit-Banging:

• Absolute Kontrolle über das Protokoll.
• Wenn die Zeit zum Ausführen von Anweisungen auf dem Mikrocontroller schneller ist als die Baudrate des SPI, kann es schneller sein, aber das ist unwahrscheinlich. Es würde eine sehr, sehr niedrige SPI-Baudrate mit einem relativ schnellen Mikrocontroller erfordern.
• Kann eine geringere Latenz als ein SPI-Interrupt haben.
• Wahl der Stifte.

Nachteile von Bit-Banging:

• Benötigt viel mehr Code zur Handhabung -Baudrate-Timing -Zuverlässiges Abtasten empfangener Bits -Prozessrahmengrenzen *Jedes obige Codesegment verbraucht Zeit, die für die Ausführung von anderem Code aufgewendet werden könnte.

Vorteile von SPI:

• Die Registerkonfiguration handhabt das Baudraten-Timing, die Abtastung empfangener Bits und die Verarbeitung von Rahmenzählern
• Die meisten Mikrocontroller mit SPI haben einen dedizierten Interrupt-Vektor für jedes SPI-Peripheriegerät (überprüfen Sie Ihr Mikro!)
• Nach der Konfiguration müssen Sie nur prüfen, ob der SPI-TX/RX-Puffer leer/voll ist, und ein Byte schreiben/lesen.
• Wenn DMA verfügbar ist, kann der SPI große Puffer zusammenhängender Daten ohne jegliche Softwareinterferenz übertragen.

Nachteile von SPI:

• Ein zusätzliches Peripheriegerät zum Erlernen und Konfigurieren (Ist das wirklich ein Nachteil?)
• Erfordert zusätzliche Pins oder Pin-Multiplexing
• Mehrkosten (bei aktuellen Mikrocontrollern eher vernachlässigbar)
• Ich hatte Rauschprobleme mit SPI, aber diese waren auf Prototyp-Boards bei relativ hohen Geschwindigkeiten (10 MHz)
• Stark eingeschränkte Pin-Auswahl

Für mich sind die Vorteile von Bit-Banging im Vergleich zu den Vorteilen von SPI gering. Die Nachteile des Bit-Banging sind viel größer als die der SPIs. Die drei Hauptgründe, die ich für die Wahl von Bit-Banging sehe, sind für

1. Benutzerdefiniertes Low-Speed-Protokoll
2. Wenn die Kommunikation langsam ist und der Rest der Anwendung geringe Rechenanforderungen hat
3. Oder wenn die Kommunikation langsam ist und die Pin-Wahl ein großes Problem darstellt

Auf dem PIC benötigt eine herkömmliche Bit-Bang-Implementierung im SPI-Stil etwa fünf Zyklen pro Bit; Mit ein wenig Arbeit an 18Fxx-Teilen kann man das auf etwa vier reduzieren (auf Kosten von etwa drei Zyklen pro Byte zusätzlichen Overhead). Diese Zeit kommt zu jeder Zeit hinzu, die zum Abrufen von Daten erforderlich ist (typischerweise drei Zyklen pro Byte). Stellen Sie sich also ungefähr 40-43 Zyklen pro Byte vor. Mit dem Hardware-SPI verbessert sich die Geschwindigkeit auf zwei Zyklen pro Bit plus ein paar zusätzliche Zyklen pro Byte (einige andere können Back-to-Back-Übertragungen verarbeiten, aber die PICs, die ich gesehen habe, können dies nicht), und während der SPI ein Byte sendet der Prozessor kann das nächste abrufen, was eine Gesamtzeit von etwa 18 Zyklen/Byte erlaubt – ein Geschwindigkeitsgewinn von etwa 2,5x.

Für Bit Banging (BB) hast du vergessen zu erwähnen:

1. Bindet den Prozessor für die Dauer der Kommunikation. (SPI lädt Register und gibt sie dann zurück, damit Sie etwas anderes tun können)
2. Hintergrund-Interrupts können den BB-Code ernsthaft stören, was ihn nur in Single-Thread-Designs nützlich macht, denken Sie daran, dass Ihr BB-Code 100 % Aufmerksamkeit auf den Umgang mit dem Protokoll richten muss.