Hi-Speed Serial TX Library for AVR Series

超高速かつ送信専用のシリアルライブラリを作ってみた。ATtiny85でも921600bps以上で送信できるぞ。(/・ω・)/

16MHzの場合で最低38400bpsから最高8000000bps(8MHz)までの対応だ。但し、921600bpsを超える速度についてはオシロで波形確認しただけで実際に受信可能かどうかは試していない。

余ってるピンがあれば送信できるので受信は出来なくても利用価値はあるだろう。

ちなみに、コードの実行サイクル数でクロックを作っているため割り込み禁止状態で送信を行うことには注意してほしい。16MHzでの割り込み禁止時間は次の通り。921600bps以上の可能な限り早い速度がお勧め。

  38400bps ... 260.4us
  57600bps ... 173.6us
 115200bps ...  86.8us
 230400bps ...  43.4us
 460800bps ...  21.7us
 921600bps ...  10.9us
1000000bps ...  10.0us
1152000bps ...   8.7us
1500000bps ...   6.6us
2000000bps ...   5.0us
2500000bps ...   4.0us
3000000bps ...   3.3us
3500000bps ...   2.9us
4000000bps ...   2.5us
4500000bps ...   2.2us
5000000bps ...   2.0us
6000000bps ...   1.7us
7000000bps ...   1.5us
8000000bps ...   1.3us

38400bps ... 260.4us

57600bps ... 173.6us

115200bps ... 86.8us

230400bps ... 43.4us

460800bps ... 21.7us

921600bps ... 10.9us

1000000bps ... 10.0us

1152000bps ... 8.7us

1500000bps ... 6.6us

2000000bps ... 5.0us

2500000bps ... 4.0us

3000000bps ... 3.3us

3500000bps ... 2.9us

4000000bps ... 2.5us

4500000bps ... 2.2us

5000000bps ... 2.0us

6000000bps ... 1.7us

7000000bps ... 1.5us

8000000bps ... 1.3us

最大で0.5クロックのタイミングずれが発生するのでどれくらいの誤差になるか計算してみた。クロック自体の誤差は考慮していないが最高速度では20%程度の誤差となるようだ。

[8.0MHz]
-----------------------------------------------
baudrate    cpu cycles/bit error
-----------------------------------------------
  921600 8.680555555555556 0.0576
 1000000 8                 0
 1152000 6.944444444444444 0.072
 1500000 5.333333333333333 0.09375
 2000000 4                 0
 2500000 3.2               0.15625
 3000000 2.666666666666667 0.1875
 3500000 2.285714285714286 0.21875
 4000000 2                 0
 4500000 x
 5000000 x
 5500000 x
 6000000 x
 7000000 x
 8000000 x

[16.0MHz]
-----------------------------------------------
baudrate    cpu cycles/bit error
-----------------------------------------------
  921600 17.36111111111111 0.0288
 1000000 16                0
 1152000 13.88888888888889 0.036
 1500000 10.66666666666667 0.046875
 2000000 8                 0
 2500000 6.4               0.078125
 3000000 5.333333333333333 0.09375
 3500000 4.571428571428571 0.109375
 4000000 4                 0
 4500000 3.555555555555556 0.1406250000000002
 5000000 3.2               0.15625
 5500000 2.909090909090909 0.171875
 6000000 2.666666666666667 0,1875
 7000000 2.285714285714286 0.21875
 8000000 2                 0

[16.5MHz (digispark)]
-----------------------------------------------
baudrate    cpu cycles/bit error
-----------------------------------------------
  921600 17.90364583333333 0.0279272727272727
 1000000 16.5              0.0303030303030303
 1152000 14.32291666666667 0.0349090909090909
 1500000 11                0
 2000000 8.25              0.0606060606060606
 2500000 6.6               0.0757575757575758
 3000000 5.5               0.0909090909090909
 3500000 4.714285714285714 0.1060606060606061
 4000000 4.125             0.1212121212121212
 4500000 3.666666666666667 0.1363636363636364
 5000000 3.3               0.1515151515151515
 5500000 3                 0
 6000000 2.75              0.1818181818181818
 7000000 2.357142857142857 0.2121212121212121
 8000000 2.0625            0.2424242424242424
 8250000 2                 0

[8.0MHz]

-----------------------------------------------

baudrate cpu cycles/bit error

-----------------------------------------------

921600 8.680555555555556 0.0576

1000000 8 0

1152000 6.944444444444444 0.072

1500000 5.333333333333333 0.09375

2000000 4 0

2500000 3.2 0.15625

3000000 2.666666666666667 0.1875

3500000 2.285714285714286 0.21875

4000000 2 0

4500000 x

5000000 x

5500000 x

6000000 x

7000000 x

8000000 x

[16.0MHz]

-----------------------------------------------

baudrate cpu cycles/bit error

-----------------------------------------------

921600 17.36111111111111 0.0288

1000000 16 0

1152000 13.88888888888889 0.036

1500000 10.66666666666667 0.046875

2000000 8 0

2500000 6.4 0.078125

3000000 5.333333333333333 0.09375

3500000 4.571428571428571 0.109375

4000000 4 0

4500000 3.555555555555556 0.1406250000000002

5000000 3.2 0.15625

5500000 2.909090909090909 0.171875

6000000 2.666666666666667 0,1875

7000000 2.285714285714286 0.21875

8000000 2 0

[16.5MHz (digispark)]

-----------------------------------------------

baudrate cpu cycles/bit error

-----------------------------------------------

921600 17.90364583333333 0.0279272727272727

1000000 16.5 0.0303030303030303

1152000 14.32291666666667 0.0349090909090909

1500000 11 0

2000000 8.25 0.0606060606060606

2500000 6.6 0.0757575757575758

3000000 5.5 0.0909090909090909

3500000 4.714285714285714 0.1060606060606061

4000000 4.125 0.1212121212121212

4500000 3.666666666666667 0.1363636363636364

5000000 3.3 0.1515151515151515

5500000 3 0

6000000 2.75 0.1818181818181818

7000000 2.357142857142857 0.2121212121212121

8000000 2.0625 0.2424242424242424

8250000 2 0

【サンプル・スケッチ】

#define HSTSerial_PORT B
#define HSTSerial_POS  1
#include "HSTSerial.h"
 
#define HSTX HSTSerial<921600>
    
void setup(void)
{
  HSTX::begin();
}
 
void loop(void)
{
  HSTX::write(0x41);
  delay(100);
}

#define HSTSerial_PORT B

#define HSTSerial_POS 1

#include "HSTSerial.h"

#define HSTX HSTSerial<921600>

void setup(void)

{

HSTX::begin();

}

void loop(void)

{

HSTX::write(0x41);

delay(100);

}

【修正履歴】
2020-07-19
ストップビット処理を全AVRシリーズ共通コードに変更。

2020-07-10
インラインアセンブラの入出力パラメタの使い方が但しなかったので修正。

2020-06-24
write()処理内で割り込み禁止前に割り込み許可状態を保存＆復旧するよう改良。

2020-04-30
参照していたAVR用高速GPIOライブラリの変更に伴う修正とスタートビット出力を１サイクル命令に変更。

2020-04-27
全AVRシリーズに共通なコードに改良。改良しなくても良かったんだけど、なんとなく．．．

2020-04-24
稀に信号が反転してしまうことがあったので修正。FT232Hを受信相手に8Mbpsまで通信できることを確認。ついでに最近投稿したAVR用高速GPIOライブラリを利用しポート指定方法を変更してみた。

2020-04-23
計算上は誤差18%なので無理かなと思っていたのだがFTDIのFT232Hを受信相手に6Mbpsまでの送信が可能なことを確認。相性が良かっただけ？

2020-04-20
コンパイル・ミスを防ぐため、使用する全てのレジスタを明示。

2020-04-18
２サイクルでビット処理できるよう改良してみた。この改良により16MHzでは最大8000000bpsとなる。これ以上は絶対無理。

2020-04-17
命令のサイクル数を勘違いしていたがＣ言語での修正は困難であったためインライン・アセンブラで書き直してみた。しかし、インライン・アセンブラの書き方って特殊過ぎてわかりづらい．．．

2020-04-16
ファイル名、クラス名を変更。

2020-04-15
誤差補正処理が特定の速度で誤補正するのを修正。

2020-04-14
誤差が0.5クロック以内に収まるように補正処理を追加。誤差データも0.5クロックで計算しなおした。

【ライブラリ】

/*
  HSTSerial.h - Hi Speed TX Serial Library for AVR Series

  Baudrate: 16MHz: 38400 - 8000000 bps
             8MHz: 19200 - 4000000 bps

  Exsample:

    #include "HSTSerial.h"

    #define HSTX HSTSerial<921600, IOPORT_PIN('B', 1)>
    
    void setup(void)
    {
      HSTX::begin();
    }

    void loop(void)
    {
      HSTX::write(0x41);
    }

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  Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330,
  Boston, MA  02111-1307  USA
*/
#ifndef __HSTSERIAL_H
#define __HSTSERIAL_H

#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>
#include "ioport.h"

#define HSTSERIAL_DELAY_CYCLE 3  // cycle of delay loop
#define HSTSERIAL_SHIFT_CYCLE 2  // cycle of bit assembly
#define HSTSERIAL_CLOCK_CYCLE ((float)F_CPU / BAUDRATE)
#define HSTSERIAL_SWCLK_CYCLE (int)(HSTSERIAL_CLOCK_CYCLE + 0.5)
#define HSTSERIAL_DELAY(n) \
  do \
  { \
    int   cycle = 0; \
    float error = HSTSERIAL_CLOCK_CYCLE - HSTSERIAL_SWCLK_CYCLE; \
    float round = (error < 0 ? -0.5 : 0.5); \
    error -= (int)error; \
    if (((int)(error * (n) + round) ^ (int)(error * ((n) + 1) + round)) & 1) \
      cycle += (error < 0 ? -1 : 1); \
    if ((cycle += HSTSERIAL_SWCLK_CYCLE - HSTSERIAL_SHIFT_CYCLE) > 0) \
    { \
      if (cycle / HSTSERIAL_DELAY_CYCLE) \
        __asm__ volatile \
        ( \
          "ldi r27, %[_COUNT_]" "\n\t" \
          "1: dec r27"          "\n\t" \
          "brne 1b"             "\n\t" \
          : \
          : [_COUNT_] "M" (cycle / HSTSERIAL_DELAY_CYCLE) \
          : "r27" \
        ); \
      if ((cycle % HSTSERIAL_DELAY_CYCLE) > 0) \
        __asm__ volatile ("nop"); \
      if ((cycle % HSTSERIAL_DELAY_CYCLE) > 1) \
        __asm__ volatile ("nop"); \
    } \
  } \
  while (0)

template<uint32_t BAUDRATE, uint8_t PIN>
class HSTSerial
{
  private:

  public:

    static void begin()
    {
      IOPORT::digitalWrite(PIN, HIGH);
      IOPORT::pinMode(PIN, OUTPUT);
    }

    static void write(uint8_t data)
    {
      if (HSTSERIAL_SWCLK_CYCLE < 256 * HSTSERIAL_DELAY_CYCLE + HSTSERIAL_SHIFT_CYCLE - 1)
      {
        __asm__ volatile
        (
          "mov  r25, %[_DATA_]"      "\n\t"
          "lsl  r25"                 "\n\t"
          "eor  %[_DATA_], r25"      "\n\t"
          "ldi  r25, 1 << %[_POS_]"  "\n\t"
          "in   r23, __SREG__"       "\n\t"
          "cli"                      "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          : [_DATA_] "=r" (data)
          : [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
          , [_POS_ ] "I" (IOPORT_PINPOS(PIN))
          : "r23", "r25"
        );
        HSTSERIAL_DELAY(0);
        __asm__ volatile
        (
          "sbrc %[_DATA_], 0"        "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          :
          : [_DATA_] "r" (data)
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(1);
        __asm__ volatile
        (
          "sbrc %[_DATA_], 1"        "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          :
          : [_DATA_] "r" (data)
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(2);
        __asm__ volatile
        (
          "sbrc %[_DATA_], 2"        "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          :
          : [_DATA_] "r" (data)
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(3);
        __asm__ volatile
        (
          "sbrc %[_DATA_], 3"        "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          :
          : [_DATA_] "r" (data)
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(4);
        __asm__ volatile
        (
          "sbrc %[_DATA_], 4"        "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          :
          : [_DATA_] "r" (data)
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(5);
        __asm__ volatile
        (
          "sbrc %[_DATA_], 5"        "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          :
          : [_DATA_] "r" (data)
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(6);
        __asm__ volatile
        (
          "sbrc %[_DATA_], 6"        "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          :
          : [_DATA_] "r" (data)
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(7);
        __asm__ volatile
        (
          "sbrc %[_DATA_], 7"        "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          :
          : [_DATA_] "r" (data)
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(8);
        __asm__ volatile
        (
          "sbis %[_POUT_], %[_POS_]" "\n\t"
          "out  %[_PORT_], r25"      "\n\t"
          "out  __SREG__, r23"       "\n\t"
          :
          : [_POUT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_OUTREG(PIN)))
          , [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))
          , [_POS_ ] "I" (IOPORT_PINPOS(PIN))
        );
        HSTSERIAL_DELAY(9);
      }
    }

    static void write(uint8_t *buf, uint8_t len)
    {
      while (len--)
        write(*buf++);
    }
};

#endif

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HSTSerial.h - Hi Speed TX Serial Library for AVR Series

Baudrate: 16MHz: 38400 - 8000000 bps

8MHz: 19200 - 4000000 bps

Exsample:

#include "HSTSerial.h"

#define HSTX HSTSerial<921600, IOPORT_PIN('B', 1)>

void setup(void)

{

HSTX::begin();

}

void loop(void)

{

HSTX::write(0x41);

}

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Boston, MA 02111-1307 USA

#ifndef __HSTSERIAL_H

#define __HSTSERIAL_H

#include <stdint.h>

#include <avr/io.h>

#include "ioport.h"

#define HSTSERIAL_DELAY_CYCLE 3 // cycle of delay loop

#define HSTSERIAL_SHIFT_CYCLE 2 // cycle of bit assembly

#define HSTSERIAL_CLOCK_CYCLE ((float)F_CPU / BAUDRATE)

#define HSTSERIAL_SWCLK_CYCLE (int)(HSTSERIAL_CLOCK_CYCLE + 0.5)

#define HSTSERIAL_DELAY(n) \

do \

{ \

int cycle = 0; \

float error = HSTSERIAL_CLOCK_CYCLE - HSTSERIAL_SWCLK_CYCLE; \

float round = (error < 0 ? -0.5 : 0.5); \

error -= (int)error; \

if (((int)(error * (n) + round) ^ (int)(error * ((n) + 1) + round)) & 1) \

cycle += (error < 0 ? -1 : 1); \

if ((cycle += HSTSERIAL_SWCLK_CYCLE - HSTSERIAL_SHIFT_CYCLE) > 0) \

{ \

if (cycle / HSTSERIAL_DELAY_CYCLE) \

__asm__ volatile \

( \

"ldi r27, %[_COUNT_]" "\n\t" \

"1: dec r27" "\n\t" \

"brne 1b" "\n\t" \

: \

: [_COUNT_] "M" (cycle / HSTSERIAL_DELAY_CYCLE) \

: "r27" \

); \

if ((cycle % HSTSERIAL_DELAY_CYCLE) > 0) \

__asm__ volatile ("nop"); \

if ((cycle % HSTSERIAL_DELAY_CYCLE) > 1) \

__asm__ volatile ("nop"); \

} \

while (0)

template<uint32_t BAUDRATE, uint8_t PIN>

class HSTSerial

{

private:

public:

static void begin()

{

IOPORT::digitalWrite(PIN, HIGH);

IOPORT::pinMode(PIN, OUTPUT);

}

static void write(uint8_t data)

{

if (HSTSERIAL_SWCLK_CYCLE < 256 * HSTSERIAL_DELAY_CYCLE + HSTSERIAL_SHIFT_CYCLE - 1)

{

__asm__ volatile

(

"mov r25, %[_DATA_]" "\n\t"

"lsl r25" "\n\t"

"eor %[_DATA_], r25" "\n\t"

"ldi r25, 1 << %[_POS_]" "\n\t"

"in r23, __SREG__" "\n\t"

"cli" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "=r" (data)

: [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

, [_POS_ ] "I" (IOPORT_PINPOS(PIN))

: "r23", "r25"

);

HSTSERIAL_DELAY(0);

__asm__ volatile

(

"sbrc %[_DATA_], 0" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "r" (data)

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

);

HSTSERIAL_DELAY(1);

__asm__ volatile

(

"sbrc %[_DATA_], 1" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "r" (data)

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

);

HSTSERIAL_DELAY(2);

__asm__ volatile

(

"sbrc %[_DATA_], 2" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "r" (data)

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

);

HSTSERIAL_DELAY(3);

__asm__ volatile

(

"sbrc %[_DATA_], 3" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "r" (data)

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

);

HSTSERIAL_DELAY(4);

__asm__ volatile

(

"sbrc %[_DATA_], 4" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "r" (data)

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

);

HSTSERIAL_DELAY(5);

__asm__ volatile

(

"sbrc %[_DATA_], 5" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "r" (data)

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

);

HSTSERIAL_DELAY(6);

__asm__ volatile

(

"sbrc %[_DATA_], 6" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "r" (data)

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

);

HSTSERIAL_DELAY(7);

__asm__ volatile

(

"sbrc %[_DATA_], 7" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

: [_DATA_] "r" (data)

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

);

HSTSERIAL_DELAY(8);

__asm__ volatile

(

"sbis %[_POUT_], %[_POS_]" "\n\t"

"out %[_PORT_], r25" "\n\t"

"out __SREG__, r23" "\n\t"

: [_POUT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_OUTREG(PIN)))

, [_PORT_] "I" (_SFR_IO_ADDR(IOPORT_TGLREG(PIN)))

, [_POS_ ] "I" (IOPORT_PINPOS(PIN))

);

HSTSERIAL_DELAY(9);

}

static void write(uint8_t *buf, uint8_t len)

{

while (len--)

write(*buf++);

}

};

#endif

【参照ライブラリ】
AVR用高速GPIOライブラリ

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