ATtiny88初體驗（七）：TWI

TWI模組介紹

ATtiny88的TWI模組相容Phillips I2C以及SMBus，支援主從模式，支援7bit地址，最大允許128個不同的從機地址。在多主機模式下，支援匯流排仲裁。從機模式下的資料速率高達400kHz，且從機地址可程式化。在睡眠模式下，支援地址識別喚醒。

注意：為了使用TWI模組， PRR 暫存器中的 PRTWI 位必須設為0。

資料位傳輸：

開始和停止條件：

地址幀格式：

資料框格式：

完整的傳輸過程：

普通模式時脈頻率：

\[f_{SCL} = \frac{clk_{I/O}}{16 + (2 \times TWBR \times TWPS)} \]

高速模式時脈頻率：

\[f_{SCL} = \frac{clk_{TWIHS}}{16 + (2 \times TWBR \times TWPS)} \]

其中， \(clk_{I/O}\) 為分頻後的系統時鐘， \(clk_{TWIHS}\) 為系統時鐘。

注意：主機模式下， TWBR 值不能低於10。

下圖展現了一個典型傳輸過程中，應用程式如何與TWI模組互動的。

ATtiny88的TWI擁有四種模式：Master Transmitter、Master Receiver、Slave Transmitter、Slave Receiver。

Master Transmitter模式下的狀態碼：

Master Receiver模式下的狀態碼：

Slave Receiver模式下的狀態碼：

Slave Transmitter模式下的狀態碼：

其他狀態碼：

多主機仲裁過程及狀態碼：

暫存器

TWBR[7:0] ：分頻係數，在主機模式下不能低於10。

TWINT ：TWI中斷標誌，必須寫1清除（不會執行完中斷自動清除），在清除前，必須完成對 TWAR 暫存器、 TWSR 暫存器、 TWDR 暫存器的操作。 TWINT 置位期間，SCL線始終保持低電平。
TWEA ：寫1使能應答。
TWSTA ：寫1產生START訊號，在START訊號傳輸完成後必須手動清除該位。
TWSTO ：寫1產生STOP訊號，該位會自動清除。從機狀態下，設定該位可以從錯誤狀態中恢復。
TWWC ：寫衝突標誌，在 TWINT 位為1時寫 TWDR 暫存器清除。
TWEN ：寫1使能TWI模組。
TWIE ：寫1使能TWI中斷。

TWS ：TWI狀態碼。
TWPS ：TWI分頻。

TWA[6:0] ：TWI從機地址。
TWGCE ：寫1使能General Call。

TWAM[6:0] ：TWI地址掩碼，設為1將忽略對應位的匹配。

TWHS ：寫1使能TWI高速模式。

程式碼

下面的程式碼展示瞭如何使用ATtiny88的TWI模組與SSD1306 OLED進行通訊刷屏。

原始檔的組織結構如下：

.
├── Makefile
├── inc
│   ├── serial.h
│   └── serial_stdio.h
└── src
    ├── main.c
    ├── serial.c
    └── serial_stdio.c

src/main.c 原始檔的內容如下：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <serial_stdio.h>

#define OLED_ADDR   0x3C
#define oled_write_command(cmd) oled_write_byte(0, cmd)
#define oled_write_data(data)   oled_write_byte(1, data)

static void oled_setup(void);
static void oled_write_byte(uint8_t dc, uint8_t data);
static void oled_fill(uint8_t color);

int main(void)
{
    cli();
    stdio_setup();          // initialize stdio and redirect it to serial
    oled_setup();           // initialize oled
    sei();

    static const uint8_t colors[] = {
        0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40,
        0x80, 0x40, 0x20, 0x10, 0x08, 0x04, 0x02
    };
    uint8_t i = 0;

    for (;;) {
        oled_fill(colors[i]);
        i = (i + 1) % sizeof(colors);
    }
}

static void oled_setup(void)
{
    static const uint8_t cmds[] = {
        0xAE, 0xD5, 0x80, 0xA8, 0x3F,
        0xD3, 0x00, 0x40, 0x8D, 0x14,
        0x20, 0x00, 0xA1, 0xC8, 0xDA,
        0x12, 0x81, 0xEF, 0xD9, 0xF1,
        0xDB, 0x30, 0xA4, 0xA6, 0xAF
    };

    TWSR = 0x00;            // TWPS = 1
    TWBR = 12;              // TWBR = 12, freq = 16MHz / (16 + 2 * 12 * 1) = 400KHz
    TWHSR = 0x00;           // disable high speed mode

    for (uint8_t i = 0; i < sizeof(cmds); i++) {
        oled_write_command(cmds[i]);
    }
    oled_fill(0x00);
}

static void oled_write_byte(uint8_t dc, uint8_t data)
{
    // transmit START condition
    TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWSTA) | _BV(TWEN);
    while (!(TWCR & _BV(TWINT)));

    // transmit SLA+W
    TWDR = OLED_ADDR << 1;
    TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWEN);
    while (!(TWCR & _BV(TWINT)));

    // transmit control byte
    TWDR = dc ? 0x40 : 0x00;
    TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWEN);
    while (!(TWCR & _BV(TWINT)));

    // transmit data byte
    TWDR = data;
    TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWEN);
    while (!(TWCR & _BV(TWINT)));

    // transmit STOP condition
    TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWSTO) | _BV(TWEN);
    // Note that TWINT is NOT set after a STOP condition has been transmitted
}

static void oled_fill(uint8_t color)
{
    oled_write_command(0x21);
    oled_write_command(0x00);
    oled_write_command(0x7F);
    oled_write_command(0x22);
    oled_write_command(0x00);
    oled_write_command(0x07);

    for (uint8_t i = 0; i < 128; i++) {
        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            oled_write_data(color);
        }
    }
}

參考資料

ATtiny88 Datasheet