SPI (Serial Peripheral Interface) – последовательный синхронный стандарт передачи данных в режиме полного дуплекса, разработанный компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии. SPI также иногда называют четырехпроводным (англ. four-wire) интерфейсом.SPI является синхронным протоколом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая периферия (ведомая) синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (chip select) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участие в передаче по SPI.
В SPI используются четыре цифровых сигнала:
- MOSI или SI – выход ведущего, вход ведомого (англ. Master Out Slave In). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому;
- MISO или SO – вход ведущего, выход ведомого (англ. Master In Slave Out). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.
- SCK или SCLK – последовательный тактовый сигнал (англ. Serial CLocK). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.
- CS или SS – выбор микросхемы, выбор ведомого (англ. Chip Select, Slave Select).Как правило, выбор микросхемы производится низким логическим уровнем.
В зависимости от комбинаций полярности и фазы синхроимпульсов возможны четыре режима работы SPI.
| Режим SPI | Временная диаграмма |
| Режим SPI0
|
|
| Режим SPI1
Активные уровень импульсов — высокий. |
 |
| Режим SPI2
Сначала защёлкивание, затем сдвиг. |
 |
| Режим SPI3
Активные уровень импульсов — низкий. Сначала сдвиг, затем защёлкивание. |
 |
В таблице принято:
- MSB — старший бит;
- LSB — младший бит.
Мастеру приходится настраиваться на тот режим, который используется ведомым.
При обмене данными по интерфейсу SPI микроконтроллер может работать как ведущий (режим Master) либо как ведомый (режим Slave). При этом пользователь может задавать следующие параметры:
- режим работы в соответствии с таблицей;
- скорость передачи;
- формат передачи (от младшего бита к старшему или наоборот).
Соединение двух микроконтроллеров по структуре ведущий – ведомый по интерфейсу SPI осуществляется по следующей схеме.
Выводы SCK, CS для ведущего микроконтроллера являются выходами, а ведомого микроконтроллера – входами.
Передача данных осуществляется следующим образом. При записи в регистр данных SPI ведущего микроконтроллера запускается генератор тактового сигнала модуля SPI, и данные начинают побитно выдаваться на вывод MOSI и соответственно поступать на вывод MOSI ведомого микроконтроллера. После выдачи последнего бита текущего байта генератор тактового сигнала останавливается с одновременной установкой в «1» флага «Конец передачи». Если поддерживаются и разрешены прерывания от модуля SPI, то генерируется запрос на прерывание. После этого ведущий микроконтроллер может начать передачу следующего байта либо, подав на вход SS ведомого напряжение уровня логической «1», перевести его в состояние ожидания.
Одновременно с передачей данных от ведущего к ведомому происходит передача и в обратном направлении, при условии, что на входе SS ведомого присутствует напряжение низкого уровня. Таким образом, в каждом цикле сдвига происходит обмен данными между устройствами. В конце каждого цикла флаг прерывания устанавливается в «1» как в ведущем микроконтроллере, так и в ведомом. Принятые байты сохраняются в приемных буферах для дальнейшего использования.
При приеме данных принятый байт должен быть прочитан из регистра данных SPI до того, как в сдвиговый регистр поступит последний бит следующего байта. В противном случае первый байт будет потерян.
Вывод SS предназначен для выбора активного ведомого устройства и в режиме Slave всегда является входом. Каждый раз, когда на вывод SS подается напряжение уровня логической «1», происходит сброс модуля SPI. Если изменение состояния этого вывода произойдет во время передачи данных, и прием, и передача немедленно прекратятся, а передаваемый и принимаемый байты будут потеряны.
Если микроконтроллер находится в режиме Master, направление передачи данных через вывод SS определяется пользователем. Если вывод сконфигурирован как выход, он работает как линия вывода общего назначения и не влияет на работу модуля SPI. Как правило, в этом случае он используется для управления выводом SS микроконтроллера, работающего в режиме Slave.
Если вывод сконфигурирован как вход, то для обеспечения нормальной работы модуля SPI на него должно быть подано напряжение высокого уровня. Подача на этот вход напряжения низкого уровня от какой-либо внешней схемы будет воспринята модулем SPI как выбор микроконтроллера в качестве ведомого (при этом ему начинают передаваться данные).
Пример использования интерфейса SPI для микроконтроллеров STM32 хорошо описан в
С номиналами от 10 Ом до 1 МОм);
1 Описание последовательного интерфейса SPI
SPI - Serial Peripheral Interface или «Последовательный периферийный интерфейс» - это синхронный протокол передачи данных для сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами (Slave) . Ведущим устройством часто является микроконтроллер. Связь между устройствами осуществляется по четырём проводам, поэтому SPI иногда называют «четырёхпроводной интерфейс». Вот эти шины:
Существует четыре режима передачи данных (SPI_MODE0, SPI_MODE1, SPI_MODE2, SPI_MODE3 ), обусловленные сочетанием полярности тактовых импульсов (работаем по уровню HIGH или LOW), Clock Polarity, CPOL , и фазой тактовых импульсов (синхронизация по переднему или заднему фронту тактового импульса), Clock Phase, CPHA .
Рисунок поясняет данную таблицу.
Интерфейс SPI предусматривает несколько вариантов подключения ведомых устройств: независимое и каскадное . При независимом подключении к шине SPI ведущее устройство обращается к каждому ведомому устройству индивидуально. При каскадном подключении ведомые устройства срабатывают поочерёдно, как бы каскадом.
Виды подключения устройств для работы по интерфейсу SPI: независимое и каскадное
2 Реализация интерфейса SPI на платах семейства Arduino
В Arduino шины интерфейса SPI находятся на определённых портах. У каждой платы своё соответствие выводов. Для удобства выводы продублированы и вынесены также на отдельный разъём ICSP (In Circuit Serial Programming, программирование устройства, включённого в цепь, по последовательному протоколу). Обратите внимание, что на разъёме ICSP отсутствует пин выбора ведомого - SS, т.к. подразумевается, что Arduino будет использоваться как ведущее устройство в сети. Но при необходимости вы можете назначить любой цифровой вывод Ардуино в качестве SS.
На рисунке приведено стандартное соответствие выводов шинам SPI для Arduino UNO и Nano.
3 Библиотека для работы с интерфейсом SPI
Для Arduino написана специальная библиотека , которая реализует протокол SPI . Подключается она так: в начале программы добавляем #include SPI.h .
Чтобы начать работу по протоколу SPI , нужно задать настройки и затем инициализировать протокол с помощью процедуры SPI.beginTransaction() . Можно выполнить это одной инструкцией: SPI.beginTransaction(SPISettings(14000000, MSBFIRST, SPI_MODE0))
Это значит, что мы инициализируем протокол SPI на частоте 14 МГц, передача данных идёт, начиная с MSB (наиболее значимого бита), в режиме SPI_MODE0.
После инициализации выбираем ведомое устройство, переводя соответствующий пин SS в состояние LOW .
Затем передаём ведомому устройству данные командой SPI.transfer() .
После передачи возвращаем SS в состояние HIGH .
Работа с протоколом завершается командой SPI.endTransaction() .
Желательно минимизировать время выполнения передачи между инструкциями SPI.beginTransaction() и SPI.endTransaction(), чтобы не возникло накладок, если другое устройство попробует инициализировать передачу данных, используя другие настройки.
4 Подключение сдвигового регистра к Arduino
Рассмотрим практическое применение интерфейса SPI . Будем зажигать светодиоды, управляя 8-битным сдвиговым регистром по шине SPI . Подключим к Arduino сдвиговый регистр 74HC595 . К каждому из 8-ми выходов регистра через ограничительный резистор подключим по светодиоду номиналом 220 Ом. Схема приводится на рисунке.
5 Скетч для управления сдвиговым регистром по интерфейсу SPI
Напишем такой скетч.
#include
Сначала подключим библиотеку SPI и инициализируем интерфейс SPI . Определим пин 8 как пин выбора ведомого устройства SS . Очистим сдвиговый регистр, послав в него значение "0". Инициализируем последовательный порт.
Чтобы зажечь определённый светодиод с помощью сдвигового регистра, нужно подать на его вход 8-разрядное число. Например, чтобы загорелся первый светодиод - подаём двоичное число 00000001, чтобы второй - 00000010, чтобы третий - 00000100, и т.д. Эти двоичные числа при переводе в десятичную систему счисления образуют такую последовательность: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и являются степенями двойки от 0 до 7.
Соответственно, в цикле loop() по количеству светодиодов делаем пересчёт от 0 до 7. Функция pow(основание, степень) возводит 2 в степень счётчика цикла. Микроконтроллеры не очень точно работают с числами типа "double", поэтому для преобразования результата в целое число используем функцию округления round() . И передаём получившееся число в сдвиговый регистр. Для наглядности в монитор последовательного порта выводятся значения, которые получаются при этой операции: единичка «бежит» по разрядам - светодиоды загораются волной.
6 «Бегущая волна» из светодиодов
Светодиоды загораются по очереди, и мы наблюдаем бегущую «волну» из огоньков. Управление светодиодами осуществляется с помощью сдвигового регистра, к которому мы подключились по интерфейсу SPI . В результате для управления 8-ю светодиодами задействованы всего 3 вывода Arduino. Если бы мы подключали светодиоды напрямую к цифровым портам Arduino, нам бы потребовалось для каждого светодиода использовать отдельный порт.
Мы изучили самый простой пример работы Arduino с шиной SPI . Более подробно рассмотрим работу нескольких сдвиговых регистров при независимом и каскадном подключениях в отдельной статье.
SPI - Serial Peripheral Interface - последовательный
периферийный интерфейс
SPI - последовательный синхронный стандарт передачи данных между микросхемами в режиме полного дуплекса.
Изначально данный интерфейс был разработан компанией Motorola для обеспечения простого и недорогого сопряжения микроконтроллеров и периферии, а в настоящее время используется в продукции многих производителей.
Интерфейс SPI, наряду с I2C, относится к самым широкоиспользуемым интерфейсам для соединения микросхем. Его наименование является аббревиатурой от “Serial Peripheral Interface” (англ. , SPI bus -
шина SPI), что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу "ведущийподчиненный". В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSPконтроллер или специализированная ИС. Подключенные к ведущему шины внешние устройства образуют подчиненных шины. В их роли выступают различного рода микросхемы, в т.ч. запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, цифровые потенциометры, специализированные контроллеры и др.
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.
1. Электрическое подключение
В отличие от стандартного последовательного порта (англ. standard serial port ), SPI является синхронным интерфейсом, в котором любая передача синхронизирована с общим тактовым сигналом, генерируемым ведущим устройством (процессором). Принимающая периферия (ведомая) синхронизирует получение битовой последовательности с тактовым сигналом. К одному последовательному периферийному интерфейсу ведущего устройства-микросхемы может присоединяться несколько микросхем. Ведущее устройство выбирает ведомое для передачи, активируя сигнал «выбор кристалла» (англ.chip select ) на ведомой микросхеме. Периферия, не выбранная процессором, не принимает участие
в передаче по SPI.
В SPI используются четыре цифровых сигнала:
MOSI (англ. Master Out Slave In )- выход ведущего устройства (альтернативное обозначение DO, SDO, DOUT) , вход ведомого устройства последовательного приема данных (альтернативное обозначение DI, SDI, DIN). Служит для передачи данных от ведущего устройства ведомому.
MISO (англ. Master In Slave Out ) - вход ведущего устройства последовательного приема данных (альтернативное обозначение DI, SDI, DIN), выход ведомого устройства последовательной передачи данных (альтернативное обозначение DO, SDO, DOUT). Служит для передачи данных от ведомого устройства ведущему.
SCLK (англ. Serial Clock ) - последовательный тактовый сигнал (альтернативное обозначение DCLOCK, CLK, SCK). Служит для передачи тактового сигнала для ведомых устройств.
CS или SS - выбор микросхемы, выбор ведомого устройства
(англ. Chip Select, Slave Select).
Существует три типа подключения к шине SPI, в каждом из которых участвуют четыре сигнала. Самое простое подключение, в котором участвуют только две микросхемы, показано на рисунке 1.
Рис. 1. Простейшее подключение к шине SPI
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.
При необходимости подключения к шине SPI нескольких микросхем используется либо независимое (параллельное) подключение (рис. 2), либо каскадное (последовательное) (рис. 3).
Рис. 2. Независимое подключение к шине SPI
Рис. 3. Каскадное подключение к шине SPI
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".
2. Протокол передачи
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:
CPOL - исходный уровень сигнала синхронизации (если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний - падающий), иначе, если CPOL=1, - высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний - нарастающий));
CPHA - фаза синхронизации; от этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных (если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, - установка
данных; если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка - по заднему).
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.
Табл. 1. Режимы SPI
Временная | ||||
диаграмма | ||||
синхрониза | ||||
3. Cравнение с шиной I2 C
Как уже упоминалось, для стыковки микросхем не меньшей популярностью пользуется 2-проводная последовательная шина I2 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 | Шина I2 C остается двухпроводной, |
десятками мегагерц и, поэтому, она | независимо от количества |
идеальна для потоковой передачи | подключенной к ней микросхем. |
больших объемов данных и широко | |
используется в высокоскоростных | |
ЦАП/АЦП, драйверах светодиодных | |
дисплеев и микросхемах памяти | |
Все линии шины SPI являются | |
однонаправленными, что существенно | Возможность мультимастерной |
упрощает решение задачи | работы, когда к шине подключено |
преобразования уровней и | несколько ведущих микросхем. |
гальванической изоляции микросхем | |
Протокол I2C является более |
|
стандартизованным, поэтому, |
|
Простота программной реализации | пользователь I2C-микросхем более |
протокола SPI. | защищен от проблем |
несовместимости выбранных |
|
компонентов. |
|
4. Производные и совместимые протоколы
MICROWIRE.
Протокол MICROWIRE компании National Semiconductor полностью идентичен протоколу SPI в режиме 0 (CPOL = 0, CPHA = 0).
3-проводной интерфейс компании Maxim
Отличие этого интерфейса состоит в том, что вместо полнодуплексной передачи по двум однонаправленным линиям здесь выполняется полудуплексная передача по одной двунаправленной линии DQ.
QSPI
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.
Инструкция
SPI - Serial Peripheral Interface
или "Последовательный периферийный интерфейс"
- это синхронный протокол передачи для сопряжения ведущего устройства (Master) с периферийными устройствами (Slave). Ведущим устройством часто является . Связь между устройствами осуществляется по четырём проводам, поэтому SPI иногда называют "четырёхпроводной интерфейс". Вот эти шины:
MOSI (Master Out Slave In)
- линия передачи данных от ведущего к ведомым устройствам;
MISO (Master In Slave Out)
- линия передачи от ведомого к ведущему устройству;
SCLK (Serial Clock)
- тактовые импульсы синхронизации, генерируемые ведущим устройством;
SS (Slave Select)
- линия выбора ведомого устройства; когда на линии "0", ведомое устройство "понимает", что сейчас обращаются к нему.
Существует четыре режима передачи данных (SPI_MODE0, SPI_MODE1, SPI_MODE2, SPI_MODE3), обусловленные сочетанием полярности тактовых импульсов (работаем по уровню HIGH или LOW), Clock Polarity, CPOL
, и фазой тактовых импульсов (синхронизация по переднему или заднему фронту тактового импульса), Clock Phase, CPHA
.
На рисунке показаны два варианта подключения устройств по протоколу SPI: независимое и каскадное. При независимом подключении к шине SPI ведущее устройство обращается к каждому ведомому устройству индивидуально. При каскадном - устройства срабатывают поочерёдно, каскадом.
В Arduino шины интерфейса SPI находятся на определённых портах. У каждой платы своё соответствие выводов. Для удобства выводы продублированы и вынесены также на отдельный разъём ICSP (In Circuit Serial Programming, устройства, включённого в цепь, по последовательному протоколу). Обратите внимание, что на разъёме ICSP отсутствует пин выбора ведомого - SS, т.к. подразумевается, что Arduino будет использоваться как ведущее устройство в сети. Но при необходимости вы можете назначить любой вывод Ардуино в качестве SS.
На рисунке приведено стандартное соответствие выводов шинам SPI для Arduino UNO и Nano.
Для Arduino написана специальная , которая реализует протокол SPI. Подключается она так: в начале программы добавляем #include SPI.h
Чтобы начать работу по протоколу SPI, нужно задать настройки и затем инициализировать протокол с помощью процедуры SPI.beginTransaction(). Можно выполнить это одной инструкцией: SPI.beginTransaction(SPISettings(14000000, MSBFIRST, SPI_MODE0))
.
Это значит, что мы инициализируем протокол SPI на частоте 14 МГц, передача данных идёт, начиная с MSB (наиболее значимого бита), в режиме "0".
После инициализации выбираем ведомое устройство, переводя соответствующий пин SS в состояние LOW.
Затем передаём ведомому устройству данные командой SPI.transfer().
После передачи возвращаем SS в состояние HIGH.
Работа с протоколом завершается командой SPI.endTransaction(). Желательно минимизировать время выполнения передачи между инструкциями SPI.beginTransaction() и SPI.endTransaction(), чтобы не возникло накладок, если другое устройство попробует инициализировать передачу данных, используя другие настройки.
Рассмотрим практическое применение интерфейса SPI. Будем зажигать светодиоды, управляя 8-битным сдвиговым регистром по шине SPI. Подключим к Arduino регистр 74HC595. К каждому из 8-ми выходов подключим по светодиоду (через ограничительный резистор). Схема приводится на рисунке.
Напишем такой скетч.
Сначала подключим библиотеку SPI и инициализируем интерфейс SPI. Определим пин 8 как пин выбора ведомого устройства. Очистим сдвиговый регистр, послав в него значение "0". Инициализируем последовательный порт.
Чтобы зажечь определённый светодиод с помощью сдвигового регистра, нужно подать на его вход 8-разрядное число. Например, чтобы загорелся первый светодиод - подаём двоичное число 00000001, чтобы второй - 00000010, чтобы третий - 00000100, и т.д. Эти двоичные числа в переводе в десятичную систему счисления образуют такую последовательность: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и являются степенями от 0 до 7.
Соответственно, в цикле loop() по количеству светодиодов делаем пересчёт от 0 до 7. Функция pow(основание, степень)
возводит 2 в степень счётчика цикла. Микроконтроллеры не очень точно работают с числами типа "double", поэтому для преобразования результата в целое число используем функцию округления round(). И передаём получившееся число в сдвиговый регистр. Для наглядности в мониторе последовательного порта выводятся значения, которые получаются при этой операции: единичка бежит по разрядам - светодиоды загораются волной.
Введение
SPI (3-wire) - популярный интерфейс для последовательного обмена данными между микросхемами. Интерфейс SPI, наряду с I 2 C, относится к самым широко-используемым интерфейсам для соединения микросхем. Изначально он был придуман компанией Motorola, а в настоящее время используется в продукции многих производителей. Его наименование является аббревиатурой от "Serial Peripheral Bus", что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу "ведущий-подчиненный". В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSP-контроллер или специализированная ИС. Подключенные к ведущему шины внешние устройства образуют подчиненных шины. В их роли выступают различного рода микросхемы, в т.ч. запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, цифровые потенциометры, специализированные контроллеры и др.
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.
Электрическое подключение
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
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:
- CPOL - исходный уровень сигнала синхронизации (если CPOL=0, то линия синхронизации до начала цикла передачи и после его окончания имеет низкий уровень (т.е. первый фронт нарастающий, а последний - падающий), иначе, если CPOL=1, - высокий (т.е. первый фронт падающий, а последний - нарастающий));
- CPHA - фаза синхронизации; от этого параметра зависит, в какой последовательности выполняется установка и выборка данных (если CPHA=0, то по переднему фронту в цикле синхронизации будет выполняться выборка данных, а затем, по заднему фронту, - установка данных; если же CPHA=1, то установка данных будет выполняться по переднему фронту в цикле синхронизации, а выборка - по заднему). Информация по режимам SPI обобщена в таблице 2.
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
- MICROWIRE.
Протокол MICROWIRE компании National Semiconductor полностью идентичен протоколу SPI в режиме 0 (CPOL = 0, CPHA = 0).
- 3-проводной интерфейс компании Maxim
Отличие этого интерфейса состоит в том, что вместо полнодуплексной передачи по двум однонаправленным линиям здесь выполняется полудуплексная передача по одной двунаправленной линии DQ.
QSPI
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.
Табл. 1. Электрические сигналы шины SPI
| Ведущий шины | Подчиненный шины | ||||
| Основное обозначение | Альтернативное обозначение | Описание | Основное обозначение | Альтернативное обозначение | Описание |
| MOSI | DO, SDO, DOUT | MOSI | DI, SDI, DIN | ||
| MISO | DI, SDI, DIN | Вход последовательного приема данных | MISO | DO, SDO, DOUT | Выход последовательной передачи данных |
| SCLK | DCLOCK, CLK, SCK | Выход синхронизации передачи данных | SCLK | DCLOCK, CLK, SCK | Вход синхронизации приема данных |
| SS | CS | Выход выбора подчиненного (выбор микросхемы) | SS | CS | Вход выбора подчиненного (выбор микросхемы) |
Загрузка...