シリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）とは？そのコンポーネントと仕組み

導入

あ シリアル周辺機器インターフェース SPIは、マスターデバイスから1つまたは複数のスレーブデバイスへの短距離データ転送に使用される同期シリアル通信インターフェースの一種です。このタイプのシステムは、その高速性とシンプルさから、組み込みシステムでよく使用されます。

SPIはマスター/スレーブアーキテクチャで動作します。つまり、マスターが通信を制御し、スレーブデバイスはマスターのコマンドに基づいて応答します。

シリアルペリフェラルインターフェースを初めて目にする方もご安心ください。このインターフェースを深く理解していただくために、ここではその仕組みや一般的な用途などについて詳しく解説します。

シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）の機能

その (SPI) シリアルペリフェラルインターフェース 多くのアプリケーションで人気の高い選択肢であり続けています。その理由は、その豊富な機能にあります。期待される機能をご紹介します。

• 同期通信を提供します。つまり、データ転送はクロック信号と同時に行われます。これは、マスターデバイスとスレーブデバイスが常に同期していることを保証するために不可欠です。
• マスター/スレーブアーキテクチャを採用しています。この場合、通信とクロックを制御するマスターデバイスが1つあります。他のデバイス（スレーブ）は、マスターから動作に関する指示を受け取ります。
• SPIは全二重通信を提供します。つまり、SPIは双方向にデータを送信できます。マスターデバイスはスレーブデバイスにデータを送信し、同時にスレーブデバイスはマスターデバイスにデータを返信できます。
• このインターフェースは高速動作向けに設計されており、デバイス間の通信が非常に高速になることが期待できます。そのため、高い転送速度を必要とするアプリケーションに適しています。
• その シリアル周辺機器インターフェースバスプロトコル 短距離通信に最適です。主に単一の回路基板で使用されることが予想されます。
• SPIの一般的な使用例としては、IC、センサー、マイクロコントローラなどの周辺機器間の通信が挙げられます。例えば、 Arduino用シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）.
• 柔軟性も考慮すべき理由の一つです。 シリアル周辺機器インターフェースバスニーズに合わせて複数のスレーブデバイスを追加できるため、設計者は必要に応じて複数のスレーブデバイスを追加できます。SSラインを追加するだけで、通信ニーズに合わせてシステムを柔軟に構築できます。

SPIプロトコルのコンポーネント

ご存知のとおり シリアルペリフェラルインターフェースとはでは、インターフェースが機能できるようにするコンポーネントを見てみましょう。

1. マスターデバイス

マスターデバイスの役割は、スレーブデバイス間の通信プロセスを制御することです。通信制御に加えて、スレーブデバイスとの同期に不可欠なクロック信号も生成します。マスターデバイスの例としては、マイクロコントローラが挙げられます。

2. スレーブデバイス

これは、マスターデバイスに SPI（シリアルペリフェラルインターフェース）プロトコル バス。回路内の各スレーブデバイスには専用のスレーブセレクトライン（SSライン）があり、マスターデバイスが直接通信できるようになります。

3. SPIバス

これはマスターデバイスとスレーブデバイス間の物理的な接続です。データ転送を可能にする4本の信号線（スレーブセレクト（SS）、マスター出力スレーブ入力（MOSI）、マスター入力スレーブ出力（MISO）、シリアルクロック（SCK））が含まれます。

スレーブセレクトの場合、各デバイスには専用のSSピンが付属しています。つまり、マスターデバイスはこの専用ピンを使用して、回路内の特定のスレーブと通信します。各デバイスは専用のSSラインを持ちますが、MOSI、MISO、SCKラインを共有できます。

マスター出力スレーブ入力バスは、ビジネス上のマスター デバイスから他のスレーブ デバイスにデータを共有するためのものです。

Master In Slave Out バスは、スレーブデバイスからマスターデバイスへのデータを共有するために使用されます。

シリアル クロックはバスの重要な部分です。そのクロック信号は、マスター デバイスとスレーブ デバイス間のデータ転送を同期し、正確なデータ転送を保証するために使用されます。

4. データ転送プロトコル

これは、マスターデバイスとスレーブデバイス間、あるいはその逆方向のデータ転送に使用されるプロトコルです。マスターデバイスからスレーブデバイスへの転送を初期化するクロックパルスを生成することで動作します。全二重通信であるため、クロックサイクルごとに1ビットのデータがマスターデバイスからスレーブデバイスへ、あるいはスレーブデバイスからマスターデバイスへ送信されます。

5. データレート

これは、SPI経由で接続されたデバイス間でデータが転送される速度です。マスターデバイスとスレーブデバイスの性能に大きく依存します。また、伝送線路の長さも重要です。これは、1秒あたりのビット数（bps）または1メガヘルツあたりのビット数（MHz）で測定されます。

6. クロック位相（CPHA）とクロック極性（CPOL）

これら2つは通信中のクロックの状態を決定します。CPOLはクロック信号のアイドル状態を決定します。これはハイまたはローのいずれかです。CPHAは、クロックエッジのデータがいつサンプリングされるかを決定します。これは立ち上がりまたは立ち下がりのいずれかです。

シリアルペリフェラルインターフェースの仕組み

の説明とともに シリアルペリフェラルインターフェース（SPI） 上記のコンポーネントを見ると、それがどのように動作するかが簡単にわかります。

マスターデバイスが通信を開始することから始まります。マスターデバイスはクロック信号を送信することで、スレーブデバイスとのデータ転送を同期させます。

その後、データはMOSIラインに配置され、スレーブデバイスに送信されます。スレーブデバイスはMISOラインを使用してマスターに情報を返信できます。

各情報ビットにはクロックパルスが付随します。これは、デバイス間の同期通信を確保するために不可欠です。また、通信は全二重であるため、双方向にデータを送信できます。

SPIの一般的な用途

マイクロコントローラとその周辺機器間の通信では、このタイプのインターフェースがよく使用されます。例えば、組み込みシステムではよく使用されるプロトコルです。

以下は、 シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）プロトコル.

• SPIは、さまざまな種類のセンサーを接続するために使用されます。例えば、温度センサー、光センサー、圧力センサーなどがあり、マイクロコントローラはこれらのセンサーからデータを読み取ることができます。
• ディスプレイもこのプロトコルを使用できます。これにより、マイクロコントローラは情報を表示できます。
• SPIはフラッシュメモリなどのメモリチップにも広く利用されており、データの保存と容易な取り出しを可能にします。
• SD カードと RFID リーダーでは、デバイス上の情報を読み取って保存するためにこのタイプのプロトコルが必要です。

SPI プロトコルを調べていくと、他のさまざまなアプリケーションに遭遇することになるでしょう。

オシロスコープでSPIをテストする方法

オシロスコープを使用すると、SPI信号を解析し、期待通りに動作しているかどうかを確認できます。以下は、信号のテストと解析に使用できる手順です。

オシロスコープのプローブを接続する

• マスターからスレーブへのデータを監視するには、プローブを MOSI ラインに接続します。
• MISOラインでも同じことを行い、スレーブからマスターへのデータ転送を観察します。
• マスター デバイスからのクロック信号をキャプチャするためのシリアル クロック ラインである SCLK にプローブを接続します。
• プローブをスレーブ選択または SS ラインに接続して、マスターが特定のスレーブと通信するタイミングを確認します。
• 適切な対策として、すべてのプローブが接地されていることを確認してください。これにより、ノイズが最小限に抑えられ、精度が向上します。

オシロスコープの設定

• SPI 信号を正しく表示できるように、オシロスコープのタイムベースをクロック周波数に合わせて調整します。
• 波形を安定させて読みやすくするために、SCLK 信号のトリガーも設定する必要があります。

波形を分析する

プローブを接続し、正しくセットアップが完了したら、波形が表示されるはずです。SCLK信号がクリーンで、想定された周波数で動作していることを確認してください。

MOSI および MISO ラインを監視して、データ転送が正しいタイミングで行われているかどうかを確認します。

オシロスコープを使用して、パルス幅、タイミング間隔、その他の重要な信号パラメータを測定します。

波形のエラーを探して、プロトコル違反がないことを確認します。

SPIの長所と短所

長所

• デバイス間の高速データ転送が期待できます。ディスプレイコントローラ、フラッシュストレージ、メモリチップなどのアプリケーションに最適です。
• 全二重通信を提供します。これは、データの送受信を同時に行うことで効率を向上させるために重要です。
• SPIは設計と動作原理が単純明快です。つまり、設計と実装は容易です。
• これ 拡張シリアル周辺機器インターフェースピン数が少ない。わずか4本のラインで済むため、ピンの使用量が少なく、一部のパラレル通信方式よりも効率的です。
• 他のデータ伝送方式とは異なり、SPIはマスターデバイスとスレーブデバイス間で専用の通信ラインを使用します。そのため、複雑なアドレス指定は必要ありません。
• デバイス間の直接通信が可能であるため、中央バスやトランシーバーは不要です。これにより、セットアップにおけるコンポーネント数を削減できます。

短所

• 各デバイスはマスターとの専用リンクを必要とするため、プロトコルにはより多くの物理回線が必要になることが予想されます。
• このプロトコルは短距離通信に最適です。そのため、その用途も限定される可能性があります。
• SPI にはエラーをチェックするシステムがないため、一部のアプリケーションでは重大な問題となる可能性があります。
• 複数のスレーブデバイスを実行すると、セットアップ全体が複雑になる可能性があります。これは、各スレーブに個別のセレクトラインを実行する必要があるためです。
• 長距離や配線品質の悪い場合、信号が劣化することがあります。これによりデータの整合性が損なわれる可能性があります。

SPIの一般的な問題のトラブルシューティング

SPIプロトコルの使用中に問題が発生する場合があります。以下では、デバイス間の通信と動作の継続を確保するために、これらの問題に対処する方法についていくつか説明します。

物理的な接続

マスターデバイスとスレーブデバイス間の配線を必ず確認してください。配線が緩んでいると、デバイスは期待どおりに動作しません。

両方のデバイスに共通の接地があり、十分な電源が供給されていることを確認します。

複数のスレーブがある場合は、マスター デバイスとの通信を可能にするために、各スレーブに独自の SS ピンがあることを確認してください。

SPIパラメータ設定

デバイスのクロック極性と位相を正しく設定してください。データのサンプリングタイミングはデータシートを参照して適切に設定してください。

クロック速度を確認し、スレーブ デバイスとマスター デバイスの両方でサポートされている範囲内であることを確認します。

また、クロックモードにも注目してください。各モードはクロックの動作とデータのサンプリングタイミングを定義します。スレーブデバイスとマスターデバイスの両方で同じモードを使用するのが基本です。

デバイス通信

これは通信を確認し、すべてが期待通りに動作していることを確認するためのテストです。例えば、スレーブのデータがマスターのデータと同様に正しくクロックアウトされていることを確認します。

スレーブデバイスの動作はどうですか？MISOラインを引いた際に、期待通りに動作するか確認してください。スレーブを切り替えて、パフォーマンスと動作を確認できます。ラインに障害が発生し、スレーブを切り替えると、片方が動作し、もう片方が動作しないという状況が発生することがあります。

トラブルシューティングツール

オシロスコープは、SPI 信号を視覚化し、タイミングや信号の整合性に関する問題を特定するのに最適なツールです。

ロジックアナライザは、SPIバストラフィックをキャプチャして解析するのに役立つツールです。通信の問題が発生する可能性のある箇所を正確に特定するのに役立ちます。

プロトコルアナライザも便利なツールです。これはSPIデータのデコードに特化したツールで、通信に関する詳細な情報を提供し、問題を特定するのに役立ちます。

ソフトウェアの問題

ソフトウェアの問題によってシステムが異常な動作をする場合があります。そのため、SPI初期化コードにエラーがないか確認してください。パラメータ設定が間違っている場合や、マスターに接続されている他のデバイスとの競合が原因となっている可能性があります。

また、タイミングの問題にも注意してください。数バイト以上のデータを送信する場合は、適切なタイミングを確保するために、コードに遅延を追加する必要がある場合もあります。続きを読む シリアル周辺機器インターフェースチュートリアル タイミングの問題の解決に役立ちます。

シリアルペリフェラルインターフェースのベストプラクティス

SPIプロトコルをアプリケーションで適切に動作させるには、いくつか注意すべき点があります。以下に留意すべき点を挙げます。

• 適切なハードウェア設計は、セットアップ全体の機能性に大きな違いをもたらす可能性があります。ランダムなフローティングやデバイスの誤動作を防ぐため、未使用の入力を特定の論理状態にバイアスすることをお勧めします。
• ソフトウェアの実装も適切に行う必要があります。これには、通信を事前に定義する明確な通信プロトコル（データ形式とタイミング）の策定が含まれます。
• データバッファのしきい値レベルの設定を検討してください。これは、データ処理イベントの頻度を制御する上で重要です。
• データパッキングは、効率的なデータ転送に役立つため、重要です。DMAなどのより広範囲なアクセス方法を使用する場合に推奨されます。

結論

SPIプロトコルは、その機能性、実装の容易さ、そして拡張性により、様々なアプリケーションにとって優れた選択肢であり続けています。通信範囲の制限など、いくつかの制限はあるものの、想定されたアプリケーションにおいては優れたパフォーマンスを発揮することが期待できます。また、SPIプロトコルを最適な状態で動作させるためのベストプラクティスについても解説しました。これらのベストプラクティスをはじめとする様々なプラクティスに従うことで、SPIプロトコルの潜在能力を最大限に引き出すことができます。