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.

Соединение двух устройств по SPI

  1. SCLK — шина тактирования (на этой линии мастер генерирует синхроимпульсы)
  2. MOSI (Master Out, Slave In) — выход ведущего, вход ведомого (по этой линии мастер передаёт данные слэйву)
  3. MISO (Master In, Slave Out) — вход ведущего, выход ведомого (по этой линии мастер принимает данные от слэйва)
  4. SS (Slave Select) — выбор ведомого (с помощью этой линии мастер управляет сеансами обмена)

«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).

Независимое подключение нескольких slave-устройств к одному мастеру по SPI

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.

Различные режимы интерфейса SPI

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»

Добавить комментарий