Описание интерфейса SPI
Интерфейс SPI — это один из самых популярных на сегодняшний день последовательных интерфейсов. Он был придуман фирмой Motorola и очень быстро завоевал популярность благодаря своей исключительной простоте и высокой скорости. При этом, SPI, наверное, нельзя назвать в полной мере интерфейсом, скорее это просто принцип связи, поскольку всё, что подразумевается под SPI, — это логика передачи данных между двумя устройствами («Ведущий»-«Ведомый»), физике же уделяется гораздо меньшее внимание, она реализуется, можно сказать, «по обстоятельствам», а никакого протокола нижнего уровня вообще нет, тут каждый производитель придумывает что-то своё.
Ну что ж, — с главного и начнём. Итак, в чём же тут логика? Логика в том, что данные передаются последовательно, побитно, при этом считывание и установка данных разделены во времени с помощью специального синхросигнала на специальной шине. Эта шина называется шиной тактирования (или шиной синхронизации), а суть разделения заключается в том, что считывание и установка данных происходят по противоположным фронтам генерируемых на шине синхроимпульсов. Такое, чётко разделённое во времени, чередование установок и считываний даёт возможность использовать один и тот же регистр и для приёма, и для передачи данных. Ранее (когда память была маленькой и дорогой, операционки хранились на дискетах, а по полям бегали мамонты ) это было серьёзным преимуществом, более того, именно под это на самом деле изначально и затачивался SPI, однако сейчас никаких проблем с обьёмом памяти нет и большинство устройств спокойно могут позволить себе иметь отдельные входной и выходной регистры.
Устройство, управляющее шиной тактирования (то есть генерирующее на ней синхроимпульсы), является «Ведущим» или «Мастером». Собственно, «Master» управляет всем обменом данными, — он решает: когда начинать обмен, когда заканчивать, сколько бит передать и т.д. Второе устройство, участвующее в обмене, является «Ведомым» или «Slave». В SPI, в отличии от, например, того же I2C, «Slave» совсем бесправен, он вообще никак не может влиять на шину тактирования и никак не может сообщить мастеру, что не успевает или, наоборот, что уже готов к обмену. То есть «Мастер» сам должен знать: когда, что и на какой скорости спросить у «Слэйва», чтобы тот смог ему ответить.
Всего, для полнодуплексного обмена (в обе стороны одновременно), в интерфейсе SPI используются 4 линии (смотрим рисунок): SCLK, MOSI, MISO и SS.
«1» и «0» кодируются уровнем напряжения на шинах данных (MOSI, MISO) в обычной положительной логике, то есть высокий уровень напряжения на шине соответствует «единице», а низкий уровень соответствует «нулю». При этом, то, каким образом организуется установка на шинах этих уровней, — нигде не оговаривается, то есть выходы передатчиков могут быть как «push-pull», так и «с открытым коллектором». Высокий уровень обычно соответствует напряжению питания микросхемы (то есть если мы имеем дело с пятивольтовыми микрухами, то высокий уровень — это напряжение, близкое к пяти вольтам, если речь идёт о микрухах, питающихся от 3,3В, то высокий уровень — это напряжение, близкое к 3,3В).
Сигнал SS отмечает начало и конец сеанса обмена. Этот сигнал обычно инверсный, то есть во время сеанса обмена данными мастер должен устанавливать на линии SS низкий уровень, а при отсутствии обмена — высокий. Наличие сигнала SS позволяет мастеру организовать подключение к нескольким слэйвам, используя один и тот же синхросигнал и одни и те же шины данных, без каких-либо дополнительных протоколов (вариант такого подключения показан на рисунке слева). Правда тут есть один минус: в этом случае мастеру придётся к каждому слэйву подключаться по отдельной линии SS (чтобы управлять сеансами обмена с каждым слэйвом независимо друг от друга), что увеличивает общее количество используемых проводов.
Названия линий, в общем-то, не являются каким-то стандартом и могут отличаться в зависимости от производителя (например, вместо MOSI, MISO и SCLK линии могут называться DI, DO и SC, или SI, SO и CLK, линия SS может называться CS или RESET).
Более того, линий не обязательно должно быть четыре, — иногда их может быть только три, например, если данные передаются только в одном направлении или вместо двух однонаправленных шин данных используется одна двунаправленная. Очевидно, что в последнем случае возможен только полудуплексный обмен, то есть в один момент времени можно только передавать или только принимать данные (а передавать и принимать одновременно — нельзя).
То есть, ни по названию линий, ни по уровням напряжения на них, ни даже по их количеству, однозначно идентифицировать SPI нельзя, зато это отлично можно сделать по самому методу передачи данных, по тому как происходит их установка на шину и считывание.
Как я уже упоминал, — данные передаются побитно, а установка и чтение данных происходит по противоположным фронтам сигнала тактирования. Момент чтения данных в англоязычной литературе называется latch (фиксация, защёлкивание), а момент установки данных на шину — shift (сдвиг). Сдвигом момент установки называется в силу особенностей большинства последовательных интерфейсов. Обычно никто не передаёт данные по одному биту, как правило, их посылают пачками по 8 и более бит (размер пачки чаще всего всё же кратен восьми). В связи с этим, на выходе передатчика делают сдвиговый регистр, куда загружают сразу всю пачку передаваемых бит, при этом значение младшего или старшего бита этого сдвигового регистра устанавливается на шине данных (смотря как передаём — младшим или старшим битом вперёд), а для установки на шине следующего передаваемого бита — достаточно «сдвинуть» этот регистр. Так устроены передатчики и в SPI, и в I2C, и в привычном RS232, и много где ещё (так просто аппаратно удобнее). Ну, ладно, — вернёмся к нашему SPI.
Логический уровень сигнала на шине тактирования в неактивном состоянии (когда нет передачи данных) называют полярностью и обозначают CPOL (то есть, если при отсутствии передачи на шине SCLK низкий уровень, то CPOL=0, а если в это время на шине SCLK высокий уровень, то CPOL=1). Порядок чередования считываний и сдвигов называют фазой и обозначают CPHA (если по первому фронту на SCLK происходит считывание, то CPHA=0, а если по первому фронту на SCLK происходит сдвиг, то CPHA=1).
В зависимости от сочетания значений CPOL и CPHA различают 4 режима работы интерфейса SPI, которые так и обозначают Mode0, Mode1, Mode2 и Mode3. Ниже приведена картинка, иллюстрирующая как происходит установка и чтение данных, в зависимости от выбранного режима.
Хотелось бы подчеркнуть, что SS — это именно линия управления сеансом обмена, а не просто линия выбора слэйва. Разница тут в том, что если считать SS просто линией выбора слэйва, то при подключении мастера к одному единственному слэйву возникает соблазн этой линией не управлять, а жёстко закоротить её на общий провод (типа чтоб слэйв всегда был выбран). Однако, логика слэйва обычно такова, что начало сеанса сопровождается различными подготовительными процедурами, такими как загрузка данных в выходной сдвиговый регистр и сброс счётчика импульсов, а выполнять какие-то действия (в соответствии с принятыми по SPI командами от мастера) слэйв начинает только после завершения сеанса обмена. Кроме того, вам ведь вполне может понадобиться несколько сеансов общения (например, если в первом сеансе вы посылаете команды, а в следующем хотите получить отчёт о результате их выполнения). Думаю понятно, что если жёстко притянуть линию SS к общему проводу, то ни о каком распознавании начала и конца сеанса обмена (начало распознаётся по спаду на линии SS, а конец — по подъёму) не может быть и речи, соответственно весь обмен данными будет нарушен. Так что важность сигнала SS не стоит недооценивать.
Ну и напоследок скажу, что наиболее популярными являются режимы Mode0 и Mode3.
Более подробно о том, как происходит обмен, что должен уметь SPI-мастер и как это программно реализовать на микроконтроллере (на примере контроллеров PIC и AVR) можно почитать в статье «Программная реализация ведущего шины SPI»
Последовательный интерфейс SPI (3-wire)
Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.
Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала (их основное и альтернативные обозначения см. в табл. 1). Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 1. Здесь, ведущий шины передает данные по линии MOSI синхронно со сгенерированным им же сигналом SCLK, а подчиненный захватывает переданные биты данных по определенным фронтам принятого сигнала синхронизации. Одновременно с этим подчиненный отправляет свою посылку данных. Представленную схему можно упростить исключением линии MISO, если используемая подчиненная ИС не предусматривает ответную передачу данных или в ней нет потребности. Одностороннюю передачу данных можно встретить у таких микросхем как ЦАП, цифровые потенциометры, программируемые усилители и драйверы. Таким образом, рассматриваемый вариант подключения подчиненной ИС требует 3 или 4 линии связи. Чтобы подчиненная ИС принимала и передавала данные, помимо наличия сигнала синхронизации, необходимо также, чтобы линия SS была переведена в низкое состояние. В противном случае, подчиненная ИС будет неактивна. Когда используется только одна внешняя ИС, может возникнуть соблазн исключения и линии SS за счет жесткой установки низкого уровня на входе выбора подчиненной микросхемы. Такое решение крайне нежелательно и может привести к сбоям или вообще невозможности передачи данных, т.к. вход выбора микросхемы служит для перевода ИС в её исходное состояние и иногда инициирует вывод первого бита данных.
Рис. 1. Простейшее подключение к шине SPI
При необходимости подключения к шине SPI нескольких микросхем используется либо независимое (параллельное) подключение (рис. 2), либо каскадное (последовательное) (рис. 3). Независимое подключение более распространенное, т.к. достигается при использовании любых SPI-совместимых микросхем. Здесь, все сигналы, кроме выбора микросхем, соединены параллельно, а ведущий шины, переводом того или иного сигнала SS в низкое состояние, задает, с какой подчиненной ИС он будет обмениваться данными. Главным недостатком такого подключения является необходимость в дополнительных линиях для адресации подчиненных микросхем (общее число линий связи равно 3+n, где n-количество подчиненных микросхем). Каскадное включение избавлено от этого недостатка, т.к. здесь из нескольких микросхем образуется один большой сдвиговый регистр. Для этого выход передачи данных одной ИС соединяется со входом приема данных другой, как показано на рисунке 3. Входы выбора микросхем здесь соединены параллельно и, таким образом, общее число линий связи сохранено равным 4. Однако использование каскадного подключения возможно только в том случае, если его поддержка указана в документации на используемые микросхемы. Чтобы выяснить это, важно знать, что такое подключение по-английски называется ‘daisy-chaining’.
Рис. 2. Независимое подключение к шине SPI
Рис. 3. Каскадное подключение к шине SPI
Протокол передачи по интерфейсу SPI предельно прост и, по сути, идентичен логике работы сдвигового регистра, которая заключается в выполнении операции сдвига и, соответственно, побитного ввода и вывода данных по определенным фронтам сигнала синхронизации. Установка данных при передаче и выборка при приеме всегда выполняются по противоположным фронтам синхронизации. Это необходимо для гарантирования выборки данных после надежного их установления. Если к этому учесть, что в качестве первого фронта в цикле передачи может выступать нарастающий или падающий фронт, то всего возможно четыре варианта логики работы интерфейса SPI. Эти варианты получили название режимов SPI и описываются двумя параметрами:
Ведущая и подчиненная микросхемы, работающие в различных режимах SPI, являются несовместимыми, поэтому, перед выбором подчиненных микросхем важно уточнить, какие режимы поддерживаются ведущим шины. Аппаратные модули SPI, интегрированные в микроконтроллеры, в большинстве случаев поддерживают возможность выбора любого режима SPI и, поэтому, к ним возможно подключение любых подчиненных SPI-микросхем (относится только к независимому варианту подключения). Кроме того, протокол SPI в любом из режимов легко реализуется программно.
Cравнение с шиной I 2 C
Как уже упоминалось, для стыковки микросхем не меньшей популярностью пользуется 2-проводная последовательная шина I 2 C. Ниже можно ознакомиться с преимуществами, которая дает та или иная последовательная шина.
| Преимущества шины SPI | Преимущества шины I2C |
| Предельная простота протокола передачи на физическом уровне обуславливает высокую надежность и быстродействие передачи. Предельное быстродействие шины SPI измеряется десятками мегагерц и, поэтому, она идеальна для потоковой передачи больших объемов данных и широко используется в высокоскоростных ЦАП/АЦП, драйверах светодиодных дисплеев и микросхемах памяти | Шина I 2 C остается двухпроводной, независимо от количества подключенной к ней микросхем. |
| Все линии шины SPI являются однонаправленными, что существенно упрощает решение задачи преобразования уровней и гальванической изоляции микросхем | Возможность мультимастерной работы, когда к шине подключено несколько ведущих микросхем. |
| Простота программной реализации протокола SPI. | Протокол I2C является более стандартизованным, поэтому, пользователь I2C-микросхем более защищен от проблем несовместимости выбранных компонентов. |
Производные и совместимые протоколы
Протокол MICROWIRE компании National Semiconductor полностью идентичен протоколу SPI в режиме 0 (CPOL = 0, CPHA = 0).
Отличие этого интерфейса состоит в том, что вместо полнодуплексной передачи по двум однонаправленным линиям здесь выполняется полудуплексная передача по одной двунаправленной линии DQ.
Более высокоуровневый протокол, чем SPI, позволяющий автоматизировать передачу данных без участия ЦПУ.
Кроме того, интерфейс SPI является основой для построения ряда специализированных интерфейсов, в т.ч. отладочный интерфейс JTAG и интерфейсы карт Flash-памяти, в т.ч. SD и MMC.
Данная статья является кратким дискурсом по шине SPI и не должна восприниматься как точная техническая документация. Рассматривается только полнодуплексный вариант применения.
Общие сведения:
Несмотря на то, что интерфейс называется 4-х проводным, для подключения нескольких ведомых понадобится по одному проводу SS для каждого ведомого (в полнодуплексной реализации). Сигналы MISO, MOSI и SCK являются общими для всех устройств на шине. Ведущий посылает сигнал SS для того ведомого, обмен данными с которым будет осуществляться. Простыми словами, все ведомые, кроме выбранного ведущим будут игнорировать данные на шине. SS является инверсным (active-low), что означает что ведущему необходимо прижать эту линию для выбора ведомого.
Подключение:
SPI на Arduino:
Arduino UNO/Piranha UNO/Arduino ULTRA
На Arduino UNO/Piranha UNO/Arduino ULTRA выводы аппаратного SPI расположены на 10, 11, 12 и 13 выводах, а так же эти выводы соединены с колодкой ICSP (in circuit serial programmer):
| Сигнал | Вывод |
|---|---|
| SS | 10 |
| MOSI | 11 |
| MISO | 12 |
| SCK | 13 |
Arduino MEGA
На Arduino MEGA выводы аппаратного SPI расположены на 50, 51, 52 и 53 выводах, а так же эти выводы соединены с колодкой ICSP (in circuit serial programmer):
| Сигнал | Вывод |
|---|---|
| SS | 53 |
| MOSI | 51 |
| MISO | 50 |
| SCK | 52 |
Пример для Arduino
В этих примерах мы соединим две Arduino по SPI по следующей схеме:
В одну плату необходимо загрузить скетч ведущего, а в другую скетч ведомого. Для проверки работы необходимо открыть проследовательный монитор той платы, в которую загружен скетч ведомого.
Arduino UNO в качестве ведущего:
Arduino UNO в качестве ведомого:
После соединения двух Arduino по SPI и загрузки соответствующих скетчей, мы будем получать следующее сообщение в мониторе последовательного порта ведомого микроконтроллера раз в секунду:
SPI на Raspberry Pi
На Raspberry Pi выводы аппаратного SPI расположены на выводах GPIO7, GPIO8, GPIO9, GPIO10, GPIO11:
Подробное описание как это сделать можно посмотреть по ссылке Raspberry Pi, включаем I2C, SPI
Пример работы с SPI на Python:
В отличие от Arduino для Raspberry не существует простых решений для работы в режиме ведомого. Подробней ознакомиться с работой чипа BCM Raspberry можно в технической документации на официальном сайте, стр. 160.
Для проверки работы сценария можно подключить Raspberry по SPI к Arduino со скетчем из примера выше через преобразователь уровней или Trema+Expander Hat:
Подробнее о SPI
Параметры
Существуют четыре режима работы SPI, зависящие от полярности (CPOL) и фазы (CPHA) тактирования:
| Режим | Полярность | Фаза | Фронт тактирования | Фронт установки бита данных |
|---|---|---|---|---|
| SPI_MODE0 | 0 | 0 | Спадающий | Нарастающий |
| SPI_MODE1 | 0 | 1 | Нарастающий | Спадающий |
| SPI_MODE2 | 1 | 0 | Нарастающий | Спадающий |
| SPI_MODE3 | 1 | 1 | Спадающий | Нарастающий |
В Arduino IDE для установки режима необходимо передать функции, возвращающей объект настроек параметр режима работы SPI_MODE, например:
Для выбора режима работы SPI на Raspberry Pi необходимо вызвать дескриптор объекта SpiDev().mode и присвоить ему битовые значения CPOL и CPHA, например:
Скорость передачи данных
Скорость передачи данных устанавливается ведущим и может меняться «на лету». Программист в силах указать лишь максимальную скорость передачи данных.
Назад к основам: SPI (последовательный периферийный интерфейс)
Последовательный периферийный интерфейс SPI используется для передачи данных между интегральными микросхемами с использованием уменьшенного количества линий передачи данных. Данная статья содержит справочную информацию, необходимую новичкам для понимания этого интерфейса.
Три наиболее распространенных многопроводных форматов последовательной передачи данных, которые использовались в течение десятилетий, это I2C, UART и SPI. В данной статье рассматривается шина SPI (Serial Peripheral Interface, последовательный периферийный интерфейс), которая избегает явной стандартизации, поэтому всегда проверяйте спецификацию интегральной микросхемы, с которой работаете, прежде чем реализовывать протокол.
Возможности и характеристики
Шина SPI (последовательного периферийного интерфейса) обеспечивает полнодуплексную синхронную связь между ведущим и ведомым устройствами, используя четыре линии данных.
Базовая конфигурация ведущий-ведомый
SPI (последовательный периферийный интерфейс) позволяет битам данных перемещаться из ведущего устройства в ведомое, и в это же время биты могут перемещаться из ведомого устройства в ведущее.
Анимация 1 показывает данные, перемещаемые из микросхемы A в микросхему B, и из микросхемы B в микросхему A 
Анимация 2 показывает диаграмму виртуального 4-канального осциллографа, отображающую SPI передачу между двумя микросхемами
Так как SPI не стандартизирован, можно столкнуться с ситуациями, когда сначала передается старший значащий бит (MSB, Most Significant Bit) или младший значащий бит (LSB, Least Significant Bit). Проверьте техническое описание вашего устройства и настройте соответствующим образом ваши функции обработки данных. Если вы используете Arduino, то можете обраться к описанию библиотеки SPI о настройке SPI порта.
Полярность и фаза тактового сигнала
Переходы тактового сигнала регулируют сдвиг и выборку данных. SPI имеет четыре режима (0, 1, 2, 3), которые соответствуют четырем возможным конфигурациям синхронизации.
Биты, которые выбираются при нарастающем фронте тактового сигнала, сдвигаются при спадающем фронте тактового сигнала, и наоборот.
Каждая передача начинается, когда линия выбора ведомого приводится уровню логического нуля (выбор ведомого обычно является сигналом с активным низким уровнем). Точная взаимосвязь между линиями выбора ведомого, данных и тактового сигнала зависит от конфигурации полярности тактового сигнала (CPOL) и фазы тактового сигнала (CPHA).
При неинвертированной полярности тактового сигнала (то есть, тактовый сигнал находится в состоянии низкого логического уровня, когда выбор ведомого переходит на низкий логический уровень):
При инвертированной полярности тактового сигнала (то есть, тактовый сигнал находится в состояние высокого логического уровня, когда выбор ведомого переходит в низкий логический уровень):
Ключевые термины
Выбор ведомого и последовательная схема
Схема с несколькими линиями выбора ведомых устройств
В стандартной структуре SPI ведущее устройство может записывать или запрашивать данные от отдельных устройств, которые используют общие линии данных путем включения устройства, то есть путем установки линии выбора ведомого соответствующего устройства в низкий логический уровень. Следует проявлять осторожность, чтобы не включить несколько ведомых устройств одновременно, так как данные, возвращаемые на ведущее устройство, будут искажены конфликтом между линиями MISO. Некоторые приложения не требуют данных, возвращаемых на ведущее устройство; в таких случаях можно обращаться к нескольким ведомым устройствам одновременно, если ведущее устройство хочет отправить одинаковые данные на несколько ведомых устройств.
Выбор ведомого устройства из нескольких имеющихся в схеме с несколькими линиями выбора ведомых устройств SPI
В схеме с несколькими ведомыми устройствами каждое ведомое устройство требует отдельной линии выбора ведомого, идущей от ведущего устройства. Если у ведущего устройства недостаточно выводов ввода/вывода для требуемого количества ведомых устройств, расширение ввода/вывода может быть реализовано путем включения декодера/демультиплексора, например, 74HC(T)238 (PDF) (декодер/демультиплексор линий 3→8).
Последовательная схема
В данной схеме данные двигаются от одного устройства к следующему. Последнее ведомое устройство может возвращать данные в ведущее устройство.
Последовательная схема включения устройств SPI
В последовательной схеме все ведомые устройства используют одну общую линию выбора ведомого. Данные сдвигаются от ведущего устройства в первое ведомое устройство, а затем выходят из первого ведомого во второе ведомое устройство, и так далее. Данные каскадно спускаются по линии до последнего ведомого устройства в цепи, которое затем может использовать свою линию MISO для отправки данных в ведущее устройство.
Эта схема хорошо подходит для индивидуально адресуемых светодиодных лент, которые популярны во время праздников.
Заключение
SPI (последовательный периферийный интерфейс) существует уже десятки лет, и нет основания ожидать, что он уйдет в ближайшее время. Хотя I 2 C и UART могут пользоваться большей популярностью, SPI – это универсальный и простой интерфейс последовательной связи, который отлично подходит для определенных приложений.