Bus de communication série synchrone
• Dédié pour établir une communication inter-composants, voir inter-cartes, au sein d'un même système
• Standard établi par Motorola et repris par différentes marques
• Full Duplex
• Maître-esclaves – Un seul maître possible sur le bus
• Plusieurs esclaves peuvent coexister sur un bus
• La sélection du destinataire se fait par une ligne dédiée chip select.
SPI est disponible sur bon nombre de microprocesseurs et de microcontrôleurs : 68XX, 683XX, MCORE, MPC8260, DSP 56XXX de Motorola, mais aussi chez Atmel, Microchip, Texas Instruments etc ...
SPI est dédié aux applications nécessitant des transferts de flots de données telles que : communication entre des microprocesseurs ou des DSP, convertisseurs A/N ou N/A, CODEC ( coder - decoder ) etc...
SPI - Serial Peripheral Interface
Le bus SPI contient 4 signaux logiques :
•
SCLK — (
généré par le maître)
•
MOSI —
(généré par le maître)•
MISO —
(généré par l'esclave)•
SS — Slave Select, Actif à l'état bas
(généré par le maître)Il existe d'autres noms qui sont souvent utilisés :
•
SCK — Horloge (généré par le maître)
•
SDI,DI,SI — Serial Data IN
•
SDO,DO,SO — Serial Data OUT
•
nCS, CS, nSS, STE — SS
Dans le cas de la convention de nommage SDI/SDO, le SDO du maître doit-être relié au SDI de l'esclave et vice-versa. Pour éviter les
confusions au moment du câblage, il est donc souvent recommandé d'utiliser les dénominations MISO-MOSI qui évitent une certaine ambiguïté.
Les signaux :
Le bus SPI est une liaison série synchrone qui opère en mode "full duplex" - émission / réception simultanée
La méthode d'accès et du type maître / esclave et c'est toujours le maître qui a
l'initiative des échanges : quand le maître sélectionne l'esclave et génère l'horloge, les données sont échangées dans les deux directions, simultanément.
Le maître ne tient pas compte de la donnée reçue dans le cas d'un échange "écriture seule" ou alors il envoie un octet sans importance ( 0xFF ) dans le cas d'un échange
"lecture seule" ;
La communication avec un esclave de type CODEC par exemple
(coder-decoder),permet d'exploiter pleinement les capacités du bus SPI, avec un flot de données bidirectionnel.
Le maître génère l'horloge et sélectionne l'esclave avec qui il veut communiquer.
L'esclave répond aux requêtes du maître.
A chaque coup d'horloge le maître et l'esclave s'échangent un bit.
Après huit coups d'horloges le maître a transmis un octet à l'esclave et vice-versa.
La vitesse de l'horloge est réglée selon des caractéristiques propres aux périphériques.
Il est possible de choisir le type d’horloge grâce à une combinaison de 2 bits dans le registre
SPCON : le bit noté CPOL (Clock POLarity) et le bit noté CPHA (Clock PHAse).• CPOL détermine le niveau logique de la ligne SCK au repos.
• CPHA détermine le front sur lequel la donnée est modifiée et le front sur lequel la donnée
va être lue.
Les signaux :
Les modes 0 et 3 sont identiques en transmission, seule change l'état de la ligne d'horloge au repos .
C'est pour cette raison que de
nombreux périphériques peuvent être capables de dialoguer soit en mode 0 et 3, soit en mode 1 et 2.
Mode CPOL CPHA
O 0 0
1 0 1
2 1 0
3 1 1
Chronogramme des différentes configurations d'horloge
En mode maître, la vitesse de transmission est sélectionnée par 3 bits du registre SPCON (Serial Peripheral CONtrol register): SPR2, SPR1 et SPR0.
La fréquence d’horloge est choisie parmi 7 fréquences obtenues par division de la fréquence de fonctionnement du microcontrôleur.
SPR2 : SPR1 : SPR2
Fréquence de la SPI
000 Fμc/2
001 Fμc/4
010 Fμc/8
011 Fμc/16
100 Fμc/32
101 Fμc/64
110 Fμc/128
Pour le SPI il est possible de trouver certains composants au delà de 20 Mbits
Le chaînage SPI :
Certains composants SPI sont conçus pour être chaînés,
simplifiant ainsi les connexions entre composants, en réduisant le nombre de lignes SS nécessaires.
Avantages :
Communication Full duplex
Débit assez important par rapport à I²C Flexibilité du nombre de bits à transmettre Simplicité de l'interface matérielle
Aucun arbitre nécessaire car aucune collision possible
Les esclaves utilisent l'horloge du maître et n'ont donc pas besoin d'oscillateur de précision
Partage d'un bus commun pour l'horloge, MISO et MOSI entre les périphériques
Inconvénients :
Monopolise plus de pattes d'un boîtier que l'I2C ou une UART qui en utilisent seulement deux.
Aucun adressage possible, il faut une ligne de sélection par esclave en mode non chaîné.
Le protocole n'a pas d'acquittement. Le maître peut parler dans le vide sans le savoir.
Il ne peut y avoir qu'un seul maître sur le bus.
Ne s'utilise que sur de courtes distances contrairement aux protocoles RS-232, RS- 485 ou bus CAN
Avantages et Inconvénients :
QSPI
(queued serial peripheral interface) est un type de contrôleur SPI, pas un autre type de bus.Il utilise une file d'attente de données avec des pointeurs programmables qui permettent à certains transferts de données sans intervention du processeur
Si on doit interconnecter plusieurs boitiers et que la vitesse n'est pas un problème, préférer l'I2C car c'est un protocole (ce qui n'est pas le cas du SPI)
Si on veut de la vitesse le SPI est loin devant…
Implémentation logicielle sur des E/S : Il est BEAUCOUP plus facile (et cela prend moins de ressources) de faire du SPI par logiciel sur des broches d'E/S que de l'I2C dû à la machine d'état.
Mise en œuvre : l'I2C est plus compliqué à mettre en œuvre (il suffit de voir le nombre de questions sur l'I2C dans les forums...).
L'interconnexion de plusieurs boitiers est également plus délicate avec l'I2C car il faut prendre en compte les impédances de chacun des boitiers pour calculer les résistances de rappels.
Même s'il existe des variations de l'I2C qui montent au dessus de 1MHz, la grande majorité des implémentations que l'on trouve utilisent généralement 100 ou 400 kHz
Pour le SPI il est possible de trouver certains composants au delà de 20 Mbits
I2C Vitesse de transmission SPI
I2C Topologie SPI
C'est un véritable protocole qui permet l'interconnexion de multiples boitiers dans différentes configurations :
Maitre / Esclave, Maitre / Multiple esclaves, Multiple Maitres / Multiples esclaves
En général point à point, bien que l'on puisse connecter plusieurs esclaves mais il faut alors des lignes
supplémentaires. Un seul maitre qui génère l'horloge.
I2C Consommation SPI
du à la configuration collecteur/ drain ouvert sur les 2 lignes de transmission (SDA + SCL), consommation relativement élevée
signaux de type TTL/CMOS donc consommation faible
