Основы протокола SPI

Когда вы подключаете микроконтроллер к датчику, дисплею или другому модулю, задумываетесь ли вы когда-нибудь о том, как эти два устройства общаются друг с другом? Что именно они говорят? Как они смогут понять друг друга?

Общение между электронными устройствами похоже на общение между людьми. Обе стороны должны говорить на одном языке. В электронике эти языки называются протоколами связи.

К счастью для нас, существует всего несколько протоколов связи, которые нам нужно знать при создании большинства проектов электроники своими руками. Для начала мы рассмотрим основы трёх наиболее распространенных протоколов: последовательный периферийный интерфейс SPI, последовательная синхронная шина I2C и универсальная асинхронная связь, управляемая приемником/передатчиком UART.

SPI, I2C и UART немного медленнее, чем такие протоколы, как USB, Ethernet, Bluetooth и WiFi, но они намного проще и используют меньше аппаратных и системных ресурсов. SPI, I2C и UART идеально подходят для связи между микроконтроллерами, а также между микроконтроллерами и датчиками, когда не требуется передавать большие объемы высокоскоростных данных.

Последовательная и параллельная связь

Электронные устройства общаются друг с другом, отправляя биты данных по проводам, физически соединенным между устройствами. Бит похож на букву в слове, за исключением того, что вместо 33 букв (в русском алфавите) бит является двоичным и может иметь значение только 1 или 0. Биты передаются от одного устройства к другому путем быстрого изменения напряжения.

В системе, работающей при напряжении +5В, бит 0 передается как короткий импульс 0В, а бит 1 передается коротким импульсом +5В.

Биты данных могут передаваться как в параллельном, так и в последовательном виде. При параллельной передаче биты данных передаются одновременно, каждый по отдельному проводу. На следующей схеме показана параллельная передача буквы «R» в двоичном формате 01010010:

При последовательной связи биты передаются один за другим по одному проводу. На следующей диаграмме показана последовательная передача буквы «R» в двоичном формате 01010010:

Введение в SPI

SPI — это распространенный протокол связи, используемый многими устройствами. Например, модули чтения SD-карт, модули чтения RFID-меток, беспроводные передатчики/приемники используют SPI для связи с микроконтроллерами.

Одним из уникальных преимуществ SPI является тот факт, что данные могут передаваться без перерыва. Любое количество битов может быть отправлено или получено в непрерывном потоке. При использовании I2C и UART данные передаются пакетами, ограниченными определенным количеством бит. Условия запуска и остановки определяют начало и конец каждого пакета, поэтому передача данных прерывается во время передачи.

Устройства, обменивающиеся данными через SPI, находятся в отношениях «Master-Slave» (Ведущий-Ведомый).

Ведущее устройство — это управляющее устройство (обычно микроконтроллер), а ведомое устройство (обычно датчик, дисплей или микросхема памяти) получает инструкции от ведущего устройства. Простейшая конфигурация SPI — это система с одним ведущим устройством и одним ведомым устройством, но один ведущий может управлять более чем одним ведомым устройством (подробнее об этом ниже).

Как работает SPI

Синхронизация (Clock)

Тактовый сигнал синхронизирует вывод битов данных от ведущего устройства с выборкой битов ведомым устройством. За каждый такт передается один бит данных, поэтому скорость передачи данных определяется частотой тактового сигнала. Связь SPI всегда инициируется ведущим устройством, поскольку ведущее устройство настраивает и генерирует тактовый сигнал.

Любой протокол связи, в котором устройства совместно используют тактовый сигнал, называется синхронным.

SPI — это протокол синхронной связи. Существуют также асинхронные методы, не использующие тактовый сигнал. Например, при передаче данных по UART обе стороны настроены на предварительно настроенную скорость передачи данных в бодах, которая определяет скорость и время передачи данных.

Тактовый сигнал в SPI можно изменить, используя свойства полярности и фазы тактового сигнала. Эти два свойства работают вместе, чтобы определить, когда биты выводятся, а когда они выбираются. Полярность тактового сигнала может быть установлена ведущим устройством, чтобы обеспечить вывод и выборку битов либо по нарастающему, либо по спадающему фронту тактового сигнала. Фазу тактового сигнала можно настроить так, чтобы вывод и выборка происходили либо на первом, либо на втором фронте такта, независимо от того, нарастает он или спадает.

Выбор ведомого устройства (Select Slave)

Ведущий может выбрать, с каким ведомым устройством он хочет общаться, установив на линии CS/SS ведомого устройства низкий уровень напряжения. В режиме ожидания, в состоянии отсутствия передачи, линия выбора ведомого устройства поддерживается на высоком уровне напряжения.

На ведущем устройстве может быть доступно несколько контактов CS/SS, что позволяет подключать несколько ведомых устройств параллельно. Если присутствует только один вывод CS/SS, несколько ведомых устройств могут быть подключены к ведущему с помощью последовательной цепочки.

Несколько ведомых устройств

SPI можно настроить для работы с одним ведущим и одним ведомым устройством. Также можно настроить для работы с несколькими ведомыми устройствами, управляемыми одним главным (ведущим) устройством.

Есть два способа подключить несколько ведомых устройств к главному. Если у ведущего устройства есть несколько контактов выбора ведомого устройства, ведомые устройства можно подключить параллельно следующим образом:

Если доступен только один контакт SS/CS выбора ведомого устройства, ведомые устройства можно подключить последовательно следующим образом:

MOSI и MISO

Ведущий передает данные ведомому побитно, последовательно через линию MOSI. Ведомое устройство получает данные, отправленные от ведущего устройства, на вывод MOSI. Данные, передаваемые от ведущего устройства к ведомому, обычно передаются начиная со старшего бита.

Ведомое устройство также может отправлять данные обратно ведущему устройству через линию MISO в последовательном режиме. Данные, отправляемые от ведомого устройства обратно к ведущему, обычно передаются начиная с младшего бита.

Этапы передачи данных по SPI

1. Ведущий (Master) выводит тактовый сигнал:

2. Ведущий (Master) переключает вывод SS/CS в состояние низкого уровня напряжения, что активирует ведомое (Slave) устройство:

3. Ведущий (Master) отправляет данные по одному биту за раз ведомому устройству по линии MOSI. Ведомое (Slave) устройство считывает биты по мере их поступления:

4. Если требуется ответ, ведомое (Slave) устройство возвращает данные по одному биту за раз ведущему (Master) устройству по линии MISO. Ведущий считывает биты по мере их поступления:

Преимущества и недостатки SPI

У использования SPI есть некоторые преимущества и недостатки. Если у вас есть выбор между различными протоколами связи, вы должны знать, когда использовать SPI в соответствии с требованиями вашего проекта.

Преимущества

• Нет стартовых и стоповых битов, поэтому данные могут передаваться непрерывно.
• Нет сложной системы адресации ведомых устройств, такой как у I2C.
• Более высокая скорость передачи данных, чем у I2C (почти в два раза быстрее).
• Отдельные линии MISO и MOSI, поэтому данные можно отправлять и получать одновременно.

Недостатки

• Использует четыре провода (I2C и UART используют два).
• Нет подтверждения того, что данные были успешно получены (у I2C это есть).
• Нет формы проверки ошибок, такой как бит четности в UART.
• Допускается только один мастер.