シリアルクロック

I2C、SPIなどではシリアルクロックを用います。 AVRマイコン (システムクロックは20MHz)での最速シリアルクロックはどんなものか実験してみました。

下記のプログラム、回路図を用いた結果、写真1のようにハイ100n、ロー200n(3.333MHz) のシリアルクロックが得られました。
ちなみに、クロックのハイの後にNOPを二つ入れると、写真2のようにハイ200n、ロー200n(2.5MHz)のデューティ50の最速シリアルクロックが得られます。

写真3, 4, 5, 6は別の項目で使用してるものです。
写真4のSDカード、SDカード2で使用しているCLKはシステムクロックが10MHzなので横軸は倍の長さとなってます。
写真6のAVRのSPIで使用しているCLKはハードでシフトしているので速いのです。(CLK = システムクロック20MHz / 2 = 10MHz)
デューティ50もハードでシフトしているからでしょう。

ローの期間が長いのは、SPIモード0ではこの期間に次に送るデータを用意したり、始めに戻ったりしてるためです。

C言語

/*
 *  sclk.c
 *  ATmega328P
 *
 *
 *  Fuses(システムクロック:20MHz)
 *
 *              水晶
 *  EXTENDED    0xFD
 *  HIGH        0xD9
 *  LOW         0xF7
 */

#include <avr/io.h>

#define CK_H PORTB |= _BV(0)
#define CK_L PORTB &= ~_BV(0)

int main(void)
{
    /* ATmega328系 */
    DDRB = 0b00000001;      /* XTAL2 XTAL1 SCK   MISO  MOSI  ----- ----- SCLK  */
    DDRC = 0b00000000;      /* xxxxx RESET ----- ----- ----- ----- ----- ----- */
    DDRD = 0b00000000;      /* ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- */
    PORTB = 0b00111110;
    PORTC = 0b00111111;
    PORTD = 0b11111111;

    while(1){
        CK_H;
///     __asm__ __volatile__("NOP"::);
///     __asm__ __volatile__("NOP"::);
        CK_L;
    }
}

アセンブラ

.include "m328def.inc"

.ORG    0
MAIN:   LDI     R24, 0b00000001;
        OUT     DDRB, R24;
        LDI     R24, 0b00000000;
        OUT     DDRC, R24;
        LDI     R24, 0b00000000;
        OUT     DDRD, R24;
        LDI     R24, 0b00111110;
        OUT     PORTB, R24;
        LDI     R24, 0b00111111;
        OUT     PORTC, R24;
        LDI     R24, 0b11111111;
        OUT     PORTD, R24;
;
SCLK:   SBI     PORTB, 0;
;       NOP;
;       NOP;
        CBI     PORTB, 0;
        RJMP    SCLK;

回路図

写真1 AVRマイコンで作るの最速シリアルクロック (システムクロックは20MHz)
(2V/DIV, 0.2μs/DIV)

写真2 AVRマイコンで作るのデューティ50の最速シリアルクロック (システムクロックは20MHz)
(2V/DIV, 0.2μs/DIV)

写真3 CAN通信で使用してるSCK (システムクロックは20MHz)
(2V/DIV, 0.2μs/DIV)

写真4 SDカード2で使用してるCLK (システムクロックは10MHz)
(1V/DIV, 0.2μs/DIV)

写真5 SDカード3で使用してるCLK (システムクロックは20MHz)
TXS0108Eによる 5V 3.3V レベル変換上→入力波形、下→出力波形
(2V/DIV, 0.2μs/DIV)

写真6 AVRのSPIで使用してるCLK (システムクロックは20MHz)
(2V/DIV, 0.2μs/DIV)

SPIのタイムチャート

I2Cのタイムチャート

I2Cのタイムチャートの値
Param. No.	Sym.	Characteristic	Min.	Max.	Units
1	FCLK	Clock frequency	- -	100 400	KHz
2	THIGH	Clock high time	4000 600	- -	ns
3	TLOW	Clock low time	4700 1300	- -	ns
4	TR	SDA and SCL rise time	- -	1000 300	ns
5	TF	SDA and SCL fall time	- -	300 100	ns
6	THD:STA	Start condition hold time	4000 600	- -	ns
7	TSU:STA	Start condition setup time	4700 600	- -	ns
8	THD:DAT	Data input hold time	0	-	ns
9	TSU:DAT	Data input setup time	250 100	- -	ns
10	TSU:STO	Stop condition setup time	4000 600	- -	ns
14	TBUF	Bus free time:Time the bus must be free bffore a new transmission can start	4700 1300	- -	ns
16	TSP	input filter spike suppression (SDA and SCL pins)	-	50	ns

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