Sériové periferní rozhraní

SPI ( anglicky  Serial Peripheral Interface, SPI bus  - sériové periferní rozhraní, SPI bus) je standard sériového synchronního přenosu dat v plně duplexním režimu , navržený tak, aby poskytoval jednoduché a levné vysokorychlostní propojení mikrokontrolérů a periferií. SPI se také někdy označuje jako čtyřvodičové  rozhraní .

Na rozdíl od standardního  sériového portu je SPI synchronní rozhraní, ve kterém je jakýkoli přenos synchronizován se společným hodinovým signálem generovaným hostitelem (procesorem). Přijímací (slave) periferie synchronizuje příjem bitové sekvence s hodinovým signálem. K jednomu sériovému perifernímu rozhraní hlavního IC lze připojit více integrovaných obvodů. Master vybere podřízenou jednotku pro přenos aktivací signálu volby čipu na podřízeném čipu .  Periferie nevybrané procesorem se přenosu SPI neúčastní.

Rozhraní

SPI používá čtyři digitální signály:

• MOSI - master výstup, slave vstup ( anglicky  Master Out Slave In ). Používá se k přenosu dat z masteru do slave.
• MISO - master vstup, slave výstup ( anglicky  Master In Slave Out ). Slouží k přenosu dat z podřízeného do nadřízeného.
• SCLK nebo SCK je sériový hodinový signál ( Serial Clock ) .  Slouží k přenosu hodinového signálu pro podřízená zařízení.
• CS nebo SS  - výběr čipu, výběr podřízeného ( anglicky  Chip Select, Slave Select ).

Konkrétní názvy portů rozhraní SPI se mohou lišit v závislosti na výrobci hardwaru, ale jsou možné následující možnosti:

• MISO : SOMI, SDO (na zařízení), DO, DON, SO, MRSR;
• MOSI : SIMO, SDI (na zařízení), DI, DIN, SI, MTST;
• SCLK : SCK, CLK, SPC (hodiny sériového portu SPI);
• SS : nCS, CS , CSB , CSN , NSS, nSS, STE , SYNC .

Synchronizace v SPI

Bitové intervaly v datových linkách jsou určeny hodinovým signálem SCK generovaným masterem, slave zařízení pomocí hodinového signálu určují, kdy se bity na datové lince mění, zatímco slave zařízení nemohou bitové intervaly nijak ovlivnit. Master i slave mají čítač hodinových impulsů (bitů). Čítač v podřízeném zařízení umožňuje podřízenému zařízení určit, kdy skončil přenos paketu. Počítadlo se vynuluje, když se vypne subsystém SPI, který je v masteru vždy k dispozici. V podřízeném zařízení se čítač obvykle resetuje deaktivací signálu rozhraní SS .

Vzhledem k tomu, že akce master a slave jsou taktovány stejným signálem, neexistují žádné požadavky na stabilitu tohoto signálu, kromě omezení délky půlcyklů, které je určeno maximální pracovní frekvencí pomalejšího zařízení. . To umožňuje použití SPI v systémech s nízkou stabilní rychlostí hodin a také usnadňuje softwarovou emulaci mastera.

Příjem a přenos dat v SPI

Přenos se provádí v dávkách. Délka paketu je obvykle 1 bajt (8 bitů), zatímco implementace SPI jsou známé s jinými délkami paketů, jako jsou 4 bity. Hlavní zařízení zahájí komunikační cyklus stažením podřízeného výběrového ( SS ) kolíku zařízení, ke kterému se má připojit. Když je signál SS nízký :

• podřízený obvod je v aktivním stavu;
• pin MISO se přepne do „výstupního“ režimu;
• hodiny SCLK z masteru jsou snímány slave a způsobují, že vstup MOSI čte hodnoty vysílané z masteru a posouvá registr slave.

Data master a slave, která mají být přenášena, jsou umístěna v posuvných registrech. Poté začne nadřazené zařízení generovat hodinové impulsy na lince SCLK, což vede ke vzájemné výměně dat. Data jsou přenášena bit po bitu z master na lince MOSI a ze slave na lince MISO. Přenos se zpravidla provádí od nejvýznamnějších bitů, ale někteří výrobci umožňují změnu pořadí přenosu bitů softwarovými metodami. Po odeslání každého datového paketu může hlavní zařízení uvést SS linku do vysokého stavu, aby se synchronizovalo podřízené zařízení.

Režimy rozhraní SPI

Jsou možné čtyři režimy synchronizace. Režim je určen kombinací bitů CPHA a CPOL:

• CPOL = 0 - počáteční stav synchronizačního signálu - nízká úroveň;
• CPOL = 1 - počáteční stav synchronizačního signálu -- vysoká úroveň;
• CPHA = 0 - data jsou vzorkována na náběžné hraně (přepínání) synchronizačního signálu. Tedy přepnutím z hlavního na jeho opak;
• CPHA = 1 - data jsou vzorkována na sestupné hraně (přepínání) synchronizačního signálu. Tedy přepnutím zpět na hlavní z opačného;

Pro označení provozních režimů rozhraní SPI byla přijata následující konvence:

• režim 0 (CPOL = 0, CPHA = 0);
• režim 1 (CPOL = 0, CPHA = 1);
• režim 2 (CPOL = 1, CPHA = 0);
• režim 3 (CPOL = 1, CPHA = 1).

Topologie komunikačních systémů založených na SPI

V nejjednodušším případě je k hlavnímu zařízení připojeno jediné podřízené zařízení a je vyžadována obousměrná komunikace. V tomto případě se používá schéma třívodičového připojení. Rozhraní SPI umožňuje připojit několik slave zařízení k jednomu master zařízení a připojení lze provést několika způsoby.

První metoda umožňuje implementovat radiální komunikační strukturu (hvězdovou topologii), je považována za hlavní způsob připojení několika podřízených zařízení. V tomto případě, aby bylo možné komunikovat s více než jedním slavem, musí master generovat odpovídající počet slave select ( SS ) signálů. Při komunikaci s podřízeným zařízením je odpovídající signál SS nastaven do aktivního (nízkého) stavu, zatímco všechny ostatní signály SS jsou v neaktivním (vysokém) stavu. Datové piny MISO slave zařízení jsou zapojeny paralelně, jsou v neaktivním stavu a před zahájením výměny přejde jeden z výstupů (vybraného slave zařízení) do aktivního režimu.

Druhá metoda umožňuje implementovat strukturu připojení typu "kroužek". V tomto případě se jeden signál SS používá k aktivaci několika podřízených zařízení současně a datové výstupy všech zařízení jsou zapojeny do série a tvoří uzavřený obvod. Když je paket vysílán z mastera, je tento paket přijat prvním slave zařízením, které zase vysílá svůj paket dalšímu slave zařízení a tak dále. Aby se paket z masteru dostal ke konkrétnímu slave zařízení, master musí odeslat několik dalších paketů.

Výhody a nevýhody rozhraní SPI

Výhody

• Plně duplexní přenos ve výchozím nastavení.
• Vyšší propustnost než I²C nebo SMBus .
• Možnost libovolné volby délky paketu, délka paketu není omezena na osm bitů.
• Snadná hardwarová implementace:
  • nižší požadavky na napájení ve srovnání s I²C a SMBus ;
  • použití v systémech s nízkou stabilní hodinovou frekvencí je možné;
  • slave zařízení nepotřebují jedinečnou adresu, na rozdíl od rozhraní jako I²C , GPIB nebo SCSI .
• Jsou použity pouze čtyři piny, což je mnohem méně než u paralelních rozhraní.
• Jednosměrná povaha signálů umožňuje v případě potřeby snadno organizovat galvanické oddělení mezi nadřízeným a podřízeným zařízením.
• Maximální taktovací frekvence je omezena pouze rychlostí zařízení zapojených do výměny dat.

Nevýhody

• Je potřeba více pinů než pro rozhraní I²C .
• Podřízené zařízení nemůže řídit tok dat.
• Neexistuje žádné potvrzení příjmu dat z podřízeného zařízení (nadřízené zařízení může přenášet data „nikam“).
• Neexistuje žádný standardně definovaný protokol pro detekci chyb.
• Absence oficiálního standardu, který znemožňuje zařízení certifikovat.
• Z hlediska rozsahu přenosu dat je rozhraní SPI horší než standardy jako UART a CAN .
• Přítomnost mnoha možností pro implementaci rozhraní.
• Nedostatek podpory pro zařízení připojující za provozu.

Příklad implementace softwaru

Níže je uveden příklad softwarové implementace hlavního SPI v jazyce C. Linka CS (volba čipu, výběr čipu) musí být aktivována (ve většině případů snížena) před zahájením výměny dat a deaktivována po dokončení výměny. Většina zařízení vyžaduje více přenosových relací s aktivní CS linkou . Tuto funkci lze volat vícekrát, když je linka aktivní.