Интерфейс SPI

Сигналы SPI: SCLK, MOSI, MISO и CS

• SCLK (SCK, CLK) — тактовый сигнал. Его генерирует только ведущий, и обмен идёт, только пока есть такты: нет данных — нет и такта.
• MOSI (Master Out, Slave In) — данные от ведущего к ведомым. У ведомого этот вход обычно называется SDI, DI, DIN или SI.
• MISO (Master In, Slave Out) — данные от ведомого к ведущему; у ведомого это выход SDO, DO, DOUT или SO. Пока ведомое не выбрано, его выход обязан находиться в высокоимпедансном состоянии (Z), иначе ведомые на общей линии MISO мешают друг другу.
• CS (Chip Select), он же SS (Slave Select) — выбор ведомого. Ведомое с CS = 1 не реагирует на SCLK и MOSI. Фронты CS обрамляют транзакцию: по спаду ведомое начинает приём с первого бита, по подъёму многие микросхемы исполняют принятую команду или защёлкивают данные.

Имена сигналов в даташитах разные — их разнообразие перечисляет и AN-1248:

Пары master/slave и MOSI/MISO постепенно уходят из документации. Open Source Hardware Association предлагает называть выводы с точки зрения самой микросхемы: SDO — выход данных, SDI — вход, CS — выбор. Для устройств, которые бывают и ведущим, и ведомым, в текущей редакции резолюции введены PICO и POCI (peripheral in / controller out и наоборот), в первой редакции 2020 года были COPI и CIPO. Analog Devices пишет main и subnode, Microchip в даташитах серии AVR DA — host и client, Linux — host и target. Смысл сигналов от переименований не меняется; дальше в статье — «ведущий», «ведомое», MOSI и MISO, как в даташите ATmega328P.

Полный дуплекс: кольцо из двух сдвиговых регистров

Внутри SPI устроен предельно просто. У ведущего и у ведомого есть по сдвиговому регистру, и линии MOSI и MISO замыкают их в кольцо — в руководстве Motorola так и сказано: два 8-разрядных регистра образуют один распределённый 16-разрядный. Каждый такт SCLK выдвигает по биту из обоих регистров и вдвигает бит партнёра. Через 8 тактов содержимое поменялось местами: ведущий получил байт ведомого, ведомое — байт ведущего.

Из этой схемы следуют три правила, о которых полезно помнить при написании драйвера:

1. Чтобы прочитать, нужно передать. Такты идут только во время передачи, поэтому при чтении ведущий отправляет «пустые» байты — обычно 0x00 или 0xFF, ведомое их игнорирует.
2. При записи всегда что-то приходит обратно. Ненужный принятый байт просто отбрасывают.
3. Приём не подтверждается. Если ведомого нет или оно не выбрано, ведущий всё равно «прочитает» байт — тот уровень, что держит подтяжка или висящая в воздухе линия MISO. Ответ 0xFF или 0x00 во всех байтах — частый признак обрыва.

Многие микросхемы используют дуплекс лишь формально: сначала принимают команду, потом отвечают, как флеш-память. Полудуплексный протокол поверх полнодуплексного железа — нормальная практика, её отмечает и документация Linux.

Режимы SPI: CPOL и CPHA

Два бита задают, как данные привязаны к такту. CPOL (clock polarity) — уровень SCLK в покое: 0 — низкий, 1 — высокий. CPHA (clock phase) — на каком фронте берётся бит: при CPHA = 0 на первом фронте после спада CS и далее на нечётных, при CPHA = 1 — на втором и далее на чётных. Данные меняются на противоположном фронте, поэтому у сигнала есть полпериода, чтобы установиться. Номер режима — двоичное число из CPOL (старший бит) и CPHA (младший).

Режимы 0 и 3 отличаются только уровнем SCLK в покое: в обоих бит захватывается по нарастающему фронту, а меняется по спадающему. Поэтому многие микросхемы поддерживают оба — например, флеш W25Q64JV, АЦП MCP3008 и SD-карты в режиме SPI. Ведомое узнаёт полярность по уровню SCLK в момент спада CS, так что ведущий должен перевести такт в нужный уровень покоя до выбора ведомого. То же верно для пары режимов 1 и 2. Чаще всего встречаются режимы 0 и 3 — так пишет и документация Linux. Режим 1 используют, например, АЦП TI ADS1118: такт в покое низкий, данные защёлкиваются по спаду SCLK.

Как определить режим SPI по даташиту

Фраза «uses SPI mode 0» есть далеко не в каждом даташите, зато временная диаграмма интерфейса есть всегда. Способ, который предлагает Analog Devices в AN-1248:

1. Уровень SCLK в момент спада CS даёт CPOL: низкий — CPOL = 0, высокий — CPOL = 1. Если нарисованы оба варианта (у W25Q64JV — подписи Mode 0 и Mode 3), ведомое понимает обе полярности.
2. Фронт выборки находят по времени установки и удержания входа (setup и hold, t_SU, t_DS, t_DH): обе величины отсчитываются от фронта, по которому ведомое защёлкивает бит. Нарастающий фронт выборки при CPOL = 0 — это режим 0, при CPOL = 1 — режим 3. Спадающий — режимы 1 и 2.
3. Задержка выхода ведомого (t_V, t_DO, t_CLQV) должна отсчитываться от противоположного фронта — это проверка, что фронт выборки найден верно.
4. Обозначения вида «mode 0,0 and 1,1» — это пары (CPOL, CPHA), то есть режимы 0 и 3, как у MCP3008.

AN-1248 подчёркивает, что фаза определяется относительно полярности: «выборка по нарастающему фронту» означает CPHA = 0 при CPOL = 0, но CPHA = 1 при CPOL = 1. Поэтому смотрят сразу на оба признака.

Названия битов у разных производителей

У Motorola, AVR и в Linux биты называются CPOL и CPHA и значат одно и то же. В HAL для STM32 фаза записана словами: SPI_PHASE_1EDGE — это CPHA = 0, SPI_PHASE_2EDGE — CPHA = 1. А у Texas Instruments в модуле USCI микроконтроллеров MSP430 смысл бита фазы обратный: UCCKPH = 1 означает захват данных по первому фронту, то есть CPHA = 0, а UCCKPH = 0 — CPHA = 1. Перенося настройки между семействами, читайте описание бита, а не его название.

Если ведущий не умеет нужный режим, AN-1248 предлагает поставить инвертор в линию SCLK: он превращает режим 0 в режим 2, режим 1 — в режим 3 и обратно. Motorola описывала CPOL ровно так — как инвертор, включённый последовательно с SCK.

CPHA = 0 и спад CS

При CPHA = 0 первый бит должен стоять на линии ещё до первого фронта, поэтому ведомое выставляет его по спаду CS. В AN991 Motorola формулирует это так: при CPHA = 0 сдвиговый такт — это логическое ИЛИ сигналов SCK и SS, а при CPHA = 1 вывод SS работает просто как разрешение выхода. Отсюда особенность: ведомому в режиме с CPHA = 0 спад CS бывает нужен перед каждым байтом. Модуль SPI микроконтроллеров Motorola S12 в роли ведомого, если SS не поднимался между передачами, вместо нового содержимого регистра данных отправляет последний принятый байт.

Порядок битов и длина слова

Чаще всего слово передаётся старшим битом вперёд (MSB first). Младшим вперёд (LSB first) передачу переключают отдельной настройкой: бит DORD в AVR, LSBFE у Motorola, SPI_FIRSTBIT_LSB в HAL для STM32, LSBFIRST в Arduino. Порядок по умолчанию стоит проверять: в USCI микроконтроллеров MSP430 бит UCMSB после сброса равен нулю, то есть первым идёт младший бит.

Длину слова SPI тоже не фиксирует. Модуль SPI в AVR передаёт только байты, STM32F4 — 8 или 16 бит, QSPI в Motorola 68332 — от 8 до 16 бит за передачу, USCI в MSP430 — 7 или 8. Ведомые задают свою длину:

• MAX7219 принимает 16-битные пакеты: 4 бита без значения, 4 бита адреса регистра и 8 бит данных, старшим вперёд.
• SSD1306 в трёхпроводном режиме вместо отдельной линии D/C# получает 9-битное слово: бит «команда или данные» и байт.
• MCP3008 выдаёт 10-битный результат после 5 бит команды. Даташит предлагает обмен тремя байтами: в первом — семь ведущих нулей и стартовый бит, во втором — режим и номер канала, ответ приходит в младших двух битах второго и в третьем байте.

Ведомое считает биты между спадом и подъёмом CS. Поэтому слово нестандартной длины можно дополнить до кратного восьми и передать за один кадр CS, если ведомое игнорирует лишние нули или такты, как MCP3008. Если же ведомое ждёт именно 9 бит подряд, как SSD1306 в трёхпроводном режиме, контроллеру нужна поддержка такой длины кадра или программная реализация.

Несколько ведомых на одной шине SPI

Адресов у SPI нет, поэтому ведомое выбирают линией CS. Способов подключения два: отдельный CS для каждого ведомого и цепочка с общим CS.

Отдельная линия CS на каждое ведомое

SCLK, MOSI и MISO общие, у каждого ведомого своя линия CS — её выдаёт обычный вывод GPIO ведущего. Низкий уровень в каждый момент может быть только на одной линии CS.

Схема работает только потому, что невыбранное ведомое переводит выход SDO в Z-состояние: так устроены и модули SPI Motorola, и W25Q64JV, у которой при /CS = 1 выход DO отключён. Если выбрать два ведомых одновременно, их выходы столкнутся на MISO — руководство Motorola отдельно предостерегает от этого.

Ещё два правила для такой шины:

• Подтяжка CS. Пока микроконтроллер в сбросе или загружается, его выводы — входы, и линии CS «висят». Подтягивающий резистор к питанию ведомого, например 10 кОм, держит ведомые невыбранными. W25Q64JV прямо требует, чтобы /CS следовал за напряжением питания при включении и выключении, и предлагает для этого подтягивающий резистор.
• Нагрузка. Каждый вход на общей линии добавляет ёмкость, и AN-1248 советует для параллельного подключения немного увеличить период такта. Число ведомых ограничено свободными выводами и допустимой частотой, а не протоколом.

Цепочка ведомых (daisy chain)

В цепочке все ведомые сидят на общих SCLK и CS, а данные проходят сквозь них: MOSI ведущего идёт на вход первого ведомого, его выход — на вход второго и так далее, выход последнего возвращается на MISO. Получается один длинный сдвиговый регистр. Для трёх 8-битных ведомых кадр CS длится 24 такта (пример из статьи Analog Dialogue), а порядок записи обратный: первым уходит слово для самого дальнего ведомого, последним — для ближнего. По подъёму CS каждое ведомое защёлкивает то, что оказалось в его регистре.

Примеры из даташитов:

• MAX7219, драйвер светодиодных индикаторов. Данные со входа DIN появляются на выходе DOUT через 16,5 такта, выходы DOUT соединяют со входами DIN соседних микросхем, а все входы LOAD/CS — вместе. Чтобы записать регистр четвёртой микросхемы из четырёх, ведущий отправляет её 16-битное слово и за ним три слова «нет операции» (No-Op, адрес регистра 0); по подъёму LOAD/CS данные защёлкиваются во всех микросхемах.
• 74HC595, сдвиговый регистр. Выход QH' предназначен для каскадирования: его соединяют со входом SER следующей микросхемы, а входы защёлки RCLK всех регистров — с общей линией, которая играет роль CS.

Цепочку поддерживают не все микросхемы: ведомое должно выдавать на выход то, что вдвинуто на вход, — это проверяют по даташиту. Задержки накапливаются вдоль цепочки, и AN-1248 советует при необходимости увеличить период такта. Некоторые микросхемы после включения работают как одиночные и переходят в режим цепочки только по команде; такую микросхему ставят первой, а её выход SDO, пока режим не включён, подтягивают резистором.

Когда ведомое не отпускает MISO

Z-состояние выхода при CS = 1 — это обязанность ведомого, но выполняют её не все:

• SD-карты. В режиме SPI карта включает и выключает выход DO не по CS, а синхронно с SCLK. ChaN, автор библиотеки FatFs, советует после подъёма CS передать ещё один байт — только тогда карта отпустит MISO. Кроме того, сразу после включения карта ещё не работает как устройство SPI и может откликнуться на обмен с другими ведомыми, поэтому её инициализируют первой.
• MAX7219. По даташиту выход DOUT никогда не переходит в Z — он предназначен только для цепочки, на общую линию MISO его не подключают. Вдобавок MAX7219 вдвигает данные по каждому фронту CLK независимо от LOAD; полностью совместимый с SPI вариант — MAX7221, который принимает такты только при низком CS.
• Ведомые в режиме цепочки. AN-1248 предупреждает, что некоторые микросхемы в этом режиме не отключают SDO по CS. Тогда SDO на общую шину не подключают, а если без этого не обойтись, ставят последовательный резистор и отключают SDO командой в начале работы.

Универсальное решение — буфер с третьим состоянием между SDO такого ведомого и линией MISO, разрешаемый тем же CS: у 74LVC125A и 74AHCT125 выход отключается высоким уровнем на входе OE, поэтому его соединяют с CS напрямую. Когда не выбрано ни одно ведомое, линию MISO никто не держит, и вход ведущего «плавает». Подтяжка решает и это; для SD-карт она обязательна: по ChaN спецификации SD и MMC рекомендуют на DI и DO резисторы 50–100 кОм, а без подтяжки DO некоторые карты не проходят инициализацию.

Скорость SPI: от чего зависит предельная частота

Стандартной частоты у SPI нет: ведущий может тактировать хоть килогерцами, хоть десятками мегагерц, а потолок задаёт самое медленное звено. Сначала это само ведомое: минимальный период SCLK и длительности высокого и низкого уровня указаны в его даташите. Затем — время, за которое бит ведомого успевает дойти до ведущего.

При записи задержка линий почти не важна: такт и данные идут от ведущего по соседним проводам и задерживаются одинаково. При чтении сигнал проходит путь туда и обратно. Спад SCLK доходит до ведомого за время задержки линии t_зд, ведомое выставляет бит через свою задержку выхода t_V, бит возвращается ещё за t_зд и должен установиться на входе ведущего за время t_SU до нарастающего фронта выборки. В режимах 0 и 3 на всё это есть половина периода:

Примеры расчёта из первоисточников:

• AN-1248. Ведомое с задержкой выхода 36 нс и ведущий с временем установки 10 нс: полупериод не короче 46 нс, и читать данные можно на частоте около 10 МГц.
• SD-карта по ChaN. Задержка выхода карты — до 14 нс, предельная частота — 0,5/(t_d + t_su). ChaN отмечает, что у некоторых микроконтроллеров, с которыми он работал, встроенный SPI по времени установки ограничен частотой около 10 МГц, хотя карта работает до 20–25 МГц.
• Длина проводов. В кабеле сигнал распространяется примерно за 5 нс на метр (TI, SLYT441). Возьмём W25Q64JV с задержкой выхода до 6 нс и ведущий с временем установки 10 нс, как в примере AN-1248. При 10 см проводов полупериод — не меньше 17 нс, то есть до 29 МГц; при метре кабеля — 26 нс и 19 МГц; при 10 м — 116 нс и 4,3 МГц.

Задержки в даташитах нормированы при определённой ёмкости нагрузки: у W25Q64JV — 30 пФ, у ILI9341 время доступа при чтении — тоже для 30 пФ. Каждый лишний вход на линии, разъём и сантиметры провода добавляют ёмкость, фронты затягиваются, и задержка выхода растёт. Поэтому быстрые ведомые ставят ближе к ведущему, а на нагруженной шине снижают частоту.

Наибольшая частота SCLK у типовых микросхем

Частоты взяты из даташитов, ссылки — в списке источников. Реальный предел конкретной платы ниже табличного, если длинные провода, на шине много входов или ведущий не успевает по времени установки.

SPI на длинных линиях

Для кабеля в десятки и сотни метров обычный SPI не годится. В примере TI 100 м кабеля и приёмопередатчики дают задержку около 550 нс в одну сторону, поэтому данные ведомого отстают от такта на 1100 нс — 11 бит на скорости 10 Мбит/с. TI предлагает передавать такт обратно от ведомого вместе с данными и принимать их вторым портом SPI, настроенным ведомым, а сами сигналы вести дифференциальными драйверами RS-422 по витой паре с согласующими резисторами 100 Ом и гальванической развязкой — как в линиях RS-485.

Трёхпроводный, Dual и Quad SPI

Трёхпроводный SPI (полудуплекс)

Если данные никогда не передаются в обе стороны одновременно, MOSI и MISO можно объединить в одну двунаправленную линию — остаются SCLK, данные и CS. Такой режим был уже у Motorola: в двунаправленном режиме вывод MOSI ведущего становится линией MOMI (master out, master in), а MISO ведомого — SISO. В HAL для STM32 его включают параметром SPI_DIRECTION_1LINE, в Linux — флагом SPI_3WIRE. Быстрые АЦП Analog Devices по AN-877 обходятся одной линией SDIO: после команды чтения микросхема за половину периода SCLK переключает её со входа на выход.

Термин «трёхпроводный» неоднозначен. Так называют и обычный SPI без одной из линий данных: ЦАП нечего отвечать, а АЦП нечего принимать (AN-1248). SSD1306 в режиме «3-wire SPI» только принимает данные и кодирует признак «команда или данные» девятым битом. Какая схема имеется в виду, видно только по даташиту.

Dual SPI и Quad SPI (QSPI)

Для памяти скорость важнее дуплекса, поэтому флеш-микросхемы передают по 2 и 4 бита за такт. У W25Q64JV в режиме Dual выводы DI и DO становятся двунаправленными IO0 и IO1, в режиме Quad к ним добавляются IO2 и IO3 — бывшие /WP и /HOLD; Quad-команды работают только после установки бита QE в регистре состояния 2. При частоте 133 МГц это эквивалентно 266 МГц обычного SPI для Dual и 532 МГц для Quad. Команда у W25Q64JV всегда идёт по одной линии. В командах Fast Read Dual Output и Quad Output (3Bh, 6Bh) адрес тоже передаётся по одной, а данные — по двум или четырём; в командах Dual I/O и Quad I/O (BBh, EBh) по нескольким линиям идут и адрес, и данные. Обмен в таких режимах полудуплексный.

Аббревиатура QSPI исторически двусмысленна. Сегодня это почти всегда Quad SPI, а в микроконтроллерах Motorola серии 68300 так назывался Queued SPI — модуль, который выполнял очередь до 16 передач по 8–16 бит без участия процессора.

Целостность сигнала: провода, резисторы, общий провод

SPI — несимметричный интерфейс: каждый сигнал — это напряжение провода относительно общего провода, и помеха на проводе попадает прямо в данные. Чаще всего страдает SCLK: перепад от звона или наводки, пересёкший порог входа, ведомое примет за лишний такт, и все следующие биты сдвинутся.

Когда дорожка становится линией передачи

Отражения зависят от длительности фронта, а не от частоты. Analog Devices в MT-097 предлагает согласовывать дорожку, если задержка распространения в одну сторону не меньше половины времени нарастания фронта, а консервативное правило — 2 дюйма (около 5 см) дорожки на каждую наносекунду фронта. Выходы микроконтроллеров переключаются за единицы наносекунд: типовое время нарастания SCK у ATmega328P — 3,6 нс, и для такого фронта «длинной» по этому правилу оказывается дорожка около 18 см даже при частоте в 1 МГц.

Последовательный резистор у источника

Самое дешёвое средство — резистор последовательно с выходом у самого вывода источника: на SCLK и MOSI — у ведущего, на MISO — у ведомого. По MT-097 сопротивление резистора вместе с выходным сопротивлением драйвера (около 10 Ом) должно быть равно волновому сопротивлению линии: для дорожки 50 Ом это около 39 Ом. Такое согласование гасит отражённую волну у источника, но рассчитано на одну нагрузку в конце линии без промежуточных отводов. На короткой линии резистор работает как фильтр: вместе с входной ёмкостью КМОП-входа, по MT-097 это 5–10 пФ, он затягивает фронт до 2,2·R·C. Номинал подбирают так, чтобы фронт был достаточно быстрым для временного бюджета, но не быстрее.

Общий провод

Ток каждого сигнала возвращается к источнику по общему проводу. Соединяя платы шлейфом, прокладывайте общий провод вместе с сигнальными и подключайте его на обоих концах; на плате ведите SCLK над сплошным полигоном земли без разрывов. Без общего провода между платами SPI не работает вовсе: уровни отсчитываются от разных потенциалов.

Согласование уровней 3,3 и 5 В

Arduino Uno и платы на ATmega328P с питанием 5 В часто соединяют с модулями на 3,3 В — флеш-памятью, SD-картами, дисплеями. Напрямую это небезопасно в обе стороны:

• 5 В на входах микросхемы 3,3 В. W25Q64JV допускает на любом выводе не больше VCC + 0,4 В — 3,7 В при питании 3,3 В. Выходы Uno дают 5 В, и это превышение абсолютного максимума.
• 3,3 В на входе ATmega328P с питанием 5 В. Высокий уровень гарантирован от 0,6·VCC, то есть от 3,0 В. Выход W25Q64JV даёт не меньше VCC − 0,2 В при токе 100 мкА, около 3,1 В, — запас всего 0,1 В.
• Обратный случай. 3,3-вольтовый микроконтроллер не всегда может управлять 5-вольтовым ведомым: MAX7219 при питании 5 В гарантированно принимает за единицу только напряжение от 3,5 В.

Чем согласовать:

• Вниз, 5 → 3,3 В — буфер 74LVC125A с питанием 3,3 В: его входы допускают до 5,5 В, задержка не больше 4,8 нс при 3,3 В. Для медленных линий годится и резистивный делитель, например 1 кОм последовательно и 2 кОм на общий провод: из 5 В получается 3,33 В. Но эквивалентное сопротивление делителя — 667 Ом, и с входной ёмкостью 10 пФ фронт затягивается примерно до 2,2 · 667 Ом · 10 пФ ≈ 15 нс, поэтому делитель подходит для частот в единицы мегагерц.
• Вверх, 3,3 → 5 В — буфер 74AHCT125 с питанием 5 В: его входы совместимы с ТТЛ, высокий уровень — от 2 В. Его выход отключается высоким уровнем на OE, поэтому OE соединяют с CS — линия MISO свободна, когда память не выбрана.
• Двунаправленные трансляторы вроде TXB0104 с автоматическим определением направления подходят для SPI, потому что все линии двухтактные; TI нормирует его до 100 Мбит/с, если низковольтная сторона питается от 2,5 или 3,3 В. Но транслирует он только двухтактные выходы, а внешние подтягивающие резисторы рекомендует не меньше 50 кОм.
• Общее питание 3,3 В. ATmega328P работает и от 3,3 В, но тогда по даташиту гарантирована тактовая частота до 10 МГц (при 2,7–5,5 В), а не 16 МГц, как на Uno.

SPI в микроконтроллерах AVR на примере ATmega328P

Модуль SPI в AVR унаследовал устройство модуля Motorola: регистр управления SPCR у MC68HC05C4 содержит те же биты SPIE, SPE, MSTR, CPOL, CPHA, SPR1 и SPR0 на тех же местах, а в AVR на свободное место встал бит порядка DORD. У ATmega328P выводы SPI — порт B: PB2 — SS, PB3 — MOSI, PB4 — MISO, PB5 — SCK; на Arduino Uno это цифровые выводы 10, 11, 12 и 13 и разъём ICSP. Через эти же выводы микроконтроллер прошивают по ISP — подробнее о семействе в разделе AVR.

• SPE включает модуль, MSTR выбирает режим ведущего, CPOL и CPHA — режим SPI, DORD = 1 — младший бит первым, SPIE разрешает прерывание по окончании передачи.
• SPDR — регистр данных: запись в него начинает передачу, чтение возвращает принятый байт.
• SPIF поднимается, когда байт выдвинут. Сбрасывается он аппаратно при входе в прерывание либо чтением SPSR с последующим обращением к SPDR.
• WCOL сигнализирует, что SPDR записали во время передачи. Передатчик буферизован однократно: следующий байт можно писать только после окончания сдвига. Приёмник — двукратно, но принятый байт нужно прочитать до окончания следующего.

Частоту SCK в режиме ведущего задают биты SPR1, SPR0 и SPI2X (таблица 19-5 даташита):

В режиме ведомого ATmega328P гарантированно работает при SCK не выше fosc/4, а высокий и низкий уровни SCK должны длиться дольше двух тактов процессора. Если нужен второй ведущий SPI, его даёт USART0 в режиме MSPIM: все четыре режима, оба порядка битов, двойная буферизация передачи и частота до fosc/2.

Ловушка с выводом SS

В режиме ведущего вывод SS (PB2) не управляет ведомым сам — им управляет программа, а модуль лишь следит за выводом, если тот настроен как вход. Появление нуля на таком входе модуль считает признаком того, что его выбрал другой ведущий: бит MSTR сбрасывается, SPI становится ведомым, SCK и MOSI превращаются во входы, а флаг SPIF поднимается. Это тот же механизм, который Motorola называет mode fault и который нужен в системах с несколькими ведущими.

Правило простое: в режиме ведущего делайте PB2 выходом, даже если CS ведомого подключён к другому выводу, или держите его входом с гарантированной единицей. Так поступает и Arduino: SPI.begin() переводит SS в выход, а в комментарии к коду прямо предупреждает, что низкий уровень на SS-входе переключит SPI в режим ведомого.

Пример на C: чтение JEDEC ID флеш-памяти W25Q64

Команда Read JEDEC ID (9Fh), по даташиту Winbond, совместима со стандартом JEDEC для последовательной памяти с SPI, принятым в 2003 году, и удобна для первой проверки связи: ответ заранее известен. Обмен по даташиту: опустить /CS, передать 9Fh, принять три байта — код производителя (EFh у Winbond), тип памяти и ёмкость, — поднять /CS. W25Q64JV поддерживает режимы 0 и 3, байты идут старшим битом вперёд.

У W25Q64JV-IQ и -JQ ответ — EF 40 17, у вариантов -IM и -JM — EF 70 17. Код на регистрах для ATmega328P с тактовой частотой 16 МГц; /CS памяти подключён к PB2, это заодно решает проблему вывода SS:

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

#define FLASH_CS_LOW()  (PORTB &= ~(1 << PB2))
#define FLASH_CS_HIGH() (PORTB |= (1 << PB2))

void spi_init(void) {
  PORTB |= (1 << PB2);                           /* /CS high before the pin becomes an output */
  DDRB |= (1 << PB2) | (1 << PB3) | (1 << PB5);  /* SS, MOSI, SCK out; MISO is forced to input */
  SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR);               /* master, mode 0, MSB first */
  SPSR = (1 << SPI2X);                           /* fosc/2 = 8 MHz at 16 MHz */
}

uint8_t spi_transfer(uint8_t data) {
  SPDR = data;                                   /* writing SPDR starts eight SCK pulses */
  while (!(SPSR & (1 << SPIF))) {}               /* wait until the byte has been shifted */
  return SPDR;                                   /* byte received on MISO at the same time */
}

/* Returns 0xEF4017 for a W25Q64JV-IQ/JQ: manufacturer, memory type, capacity. */
uint32_t flash_read_jedec_id(void) {
  uint32_t id;
  FLASH_CS_LOW();
  spi_transfer(0x9F);                            /* the byte clocked in here is ignored */
  id = (uint32_t)spi_transfer(0x00) << 16;
  id |= (uint32_t)spi_transfer(0x00) << 8;
  id |= spi_transfer(0x00);
  FLASH_CS_HIGH();
  return id;
}

Если пришло 0x000000 или 0xFFFFFF, ведомое не отвечает: проверьте питание и общий провод, /CS, линию MISO и уровни. Память на 3,3 В подключайте к Arduino Uno только через преобразователь уровней.

Записывать во флеш-память сложнее. Перед каждой командой записи или стирания нужна команда Write Enable (06h), а запись страницы (02h) W25Q64JV выполняет, только если /CS поднят после восьмого бита последнего байта, то есть на границе байта, — иначе команда не выполняется. Окончание записи определяют по биту BUSY регистра состояния 1, который читают командой 05h.

SPI в Arduino и STM32

Arduino: SPI.h и SPISettings

Библиотека SPI в Arduino скрывает регистры, но не CS: выбор ведомого — обычный digitalWrite(). Настройки передаются объектом SPISettings(частота, порядок битов, режим) в SPI.beginTransaction(). Для AVR библиотека выбирает наибольшую частоту, которая не превышает заданную, поэтому на Uno с кварцем 16 МГц запрос 20 МГц даст 8 МГц, а SPISettings() без параметров — это 4 МГц, MSBFIRST и SPI_MODE0. Пара beginTransaction() и endTransaction() заново применяет настройки своего ведомого и защищает обмен от прерываний, которые тоже работают с SPI и зарегистрированы через SPI.usingInterrupt().

#include <SPI.h>

const uint8_t FLASH_CS = 10;  // D10 = SS on Arduino Uno

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(FLASH_CS, OUTPUT);
  digitalWrite(FLASH_CS, HIGH);
  SPI.begin();

  SPI.beginTransaction(SPISettings(8000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));
  digitalWrite(FLASH_CS, LOW);
  SPI.transfer(0x9F);                   // Read JEDEC ID
  uint8_t manufacturer = SPI.transfer(0x00);
  uint8_t memoryType = SPI.transfer(0x00);
  uint8_t capacity = SPI.transfer(0x00);
  digitalWrite(FLASH_CS, HIGH);
  SPI.endTransaction();

  Serial.print(manufacturer, HEX);      // EF
  Serial.print(' ');
  Serial.print(memoryType, HEX);        // 40
  Serial.print(' ');
  Serial.println(capacity, HEX);        // 17 = 64 Mbit
}

void loop() {}

STM32: HAL

В HAL для STM32 параметры SPI собраны в структуре SPI_InitTypeDef: режим ведущего или ведомого, направление (SPI_DIRECTION_2LINES — обычный дуплекс, SPI_DIRECTION_2LINES_RXONLY — только приём, SPI_DIRECTION_1LINE — трёхпроводный режим), длина кадра (в серии F4 — 8 или 16 бит), полярность и фаза, управление NSS, делитель частоты шины от 2 до 256 и порядок битов. CS проще всего вести обычным выводом GPIO, выбрав SPI_NSS_SOFT, — так кадр CS охватывает ровно ту транзакцию, которую требует ведомое.

SPI_HandleTypeDef hspi1;

void flash_spi_init(void) {
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;          /* CPOL = 0 */
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;              /* CPHA = 0: mode 0 */
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;                      /* CS is an ordinary GPIO */
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_8;
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
  HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

/* GPIO and clock setup are omitted; /CS of the flash is on PA4. */
uint32_t flash_read_jedec_id(void) {
  uint8_t tx[4] = {0x9F, 0x00, 0x00, 0x00};
  uint8_t rx[4] = {0};
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, tx, rx, sizeof tx, 10);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
  return ((uint32_t)rx[1] << 16) | ((uint32_t)rx[2] << 8) | rx[3];
}

HAL_SPI_TransmitReceive() выдаёт и принимает одновременно, как и сам интерфейс: первый принятый байт приходит, пока передаётся команда, и поэтому отбрасывается.

SPI или I²C: сравнение и выбор

Оба интерфейса рассчитаны на связь микросхем в пределах платы, но устроены противоположно. Подробно о второй шине — в статье про I²C.

Когда что выбирать:

• SPI — когда важны скорость и поток данных: флеш-память и SD-карты, дисплеи, АЦП с высокой частотой выборки. Двухтактные выходы дают быстрые фронты, а отсутствие подтяжек — меньший статический ток.
• I²C — когда устройств много, а выводов мало: десяток датчиков на двух линиях, у каждого свой адрес, и ведущий сразу видит по ACK, ответило ли устройство.
• Оба сразу — обычная практика: датчики и часы на I²C, память и дисплей на SPI. Некоторые микросхемы умеют и то и другое: датчики Bosch BMP280 и BME280 работают по I²C, если вывод CSB подключён к питанию, и по SPI в режимах 0 и 3, если CSB прижат к нулю.

Типичные ошибки SPI и отладка

Логический анализатор

Декодеру SPI логического анализатора нужно сообщить, какой канал отвечает за SCLK, MOSI, MISO и CS, а также режим (CPOL и CPHA), порядок битов, длину слова и полярность CS. Частоту выборки анализатора берите в несколько раз выше частоты SCLK, иначе соседние фронты сольются. Первым делом убедитесь, что число тактов в кадре CS кратно длине слова ведомого и что ответ ведомого появляется там, где его ждёт даташит. Если декодер показывает осмысленные байты на MOSI и мусор на MISO, ищите ошибку в режиме, во времени установки или в уровнях.

Осциллограф

Логический анализатор видит только единицы и нули, аналоговые проблемы видны на осциллографе:

• звон и ступеньки на фронтах SCLK — смотрите сигнал на входе ведомого, а не на выводе ведущего;
• высокий уровень MISO, если ведомое питается от другого напряжения, чем ведущий;
• уровень MISO, когда не выбрано ни одно ведомое: если он «плавает» между нулём и единицей, нужна подтяжка;
• затянутые фронты на длинных проводах и при большой нагрузке.

Подключайте общий провод щупа коротким проводником рядом с точкой измерения: длинный провод «земли» сам добавляет звон, которого в схеме нет.

Другие интерфейсы — в разделе интерфейсы: I²C — для медленных датчиков и памяти на той же плате, RS-485 и RS-232 — для связи между приборами.