پروتکل ارتباطی SPI (Serial Peripheral Interface) یک پروتکل ارتباطی سریال سینکرون است که برای ارتباط بین میکروکنترلرها و دستگاههای جانبی مانند سنسورها، نمایشگرها و حافظهها استفاده میشود. این پروتکل به دلیل سادگی و کارایی بالا در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی محبوب است.
در ادامه به توضیح جزئیات این پروتکل میپردازیم:
ساختار و عملکرد SPI
SPI یک پروتکل ارتباطی سینکرون با معماری Master-Slave است که در آن یک دستگاه به عنوان مستر (Master) و یک یا چند دستگاه به عنوان اسلیو (Slave) عمل میکنند. ارتباط SPI شامل چهار خط اصلی است:
SCLK (Serial Clock):
سیگنال ساعت که توسط مستر تولید و به اسلیوها ارسال میشود.
MOSI (Master Out Slave In):
خط داده که دادهها را از مستر به اسلیو منتقل میکند.
MISO (Master In Slave Out):
خط داده که دادهها را از اسلیو به مستر منتقل میکند.
SS (Slave Select):
خط انتخاب اسلیو که توسط مستر کنترل میشود و مشخص میکند کدام اسلیو فعال است.
روش کار SPI
در ارتباط SPI، مستر سیگنال ساعت (SCLK) را تولید میکند و به اسلیوها ارسال میکند. دادهها به صورت همزمان از طریق خطوط MOSI و MISO بین مستر و اسلیو منتقل میشوند. مستر خط SS را برای انتخاب اسلیو مورد نظر فعال میکند و سپس دادهها را انتقال میدهد.
مزایا و معایب SPI
مزایا:
سرعت بالا: به دلیل استفاده از سیگنال ساعت، SPI میتواند با سرعتهای بسیار بالا دادهها را منتقل کند.
سادگی: پروتکل SPI ساده و آسان برای پیادهسازی است.
ارتباط دو طرفه: دادهها میتوانند همزمان در دو جهت منتقل شوند (Full-Duplex).
معایب: نیاز به خطوط بیشتر: نسبت به پروتکلهای دیگر مانند I2C، SPI نیاز به تعداد بیشتری خط برای ارتباط دارد. عدم پشتیبانی از آدرسدهی: برخلاف I2C، در SPI هیچ مکانیزم آدرسدهی برای شناسایی دستگاههای اسلیو وجود ندارد و هر اسلیو به یک خط SS اختصاصی نیاز دارد.
پیکربندیها و حالتهای SPI
Mode 0: در این حالت، دادهها در لبه بالارونده ساعت نمونهبرداری میشوند و لبه پایینرونده ساعت باعث تغییر حالت دادهها میشود.
(CPOL=0, CPHA=0).
Mode 1: در این حالت، دادهها در لبه پایینرونده ساعت نمونهبرداری میشوند و لبه بالارونده ساعت باعث تغییر حالت دادهها میشود.
(CPOL=0, CPHA=1).
Mode 2: در این حالت، دادهها در لبه پایینرونده ساعت نمونهبرداری میشوند و لبه بالارونده ساعت باعث تغییر حالتدادهها میشود.
(CPOL=1, CPHA=0).
Mode 3: در این حالت، دادهها در لبه بالارونده ساعت نمونهبرداری میشوند و لبه پایینرونده ساعت باعث تغییر حالت دادهها میشود.
(CPOL=1, CPHA=1).
کاربردهای SPI
SPI به دلیل سرعت بالا و سادگی در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرد:
سنسورها: برای خواندن داده از سنسورهایی مانند شتابسنجها، ژیروسکوپها و سنسورهای دما.
نمایشگرها: برای ارسال داده به نمایشگرهای LCD و OLED.
حافظهها: برای ارتباط با حافظههای فلش و EEPROM.
مبدلهای دیجیتال به آنالوگ (DAC) و آنالوگ به دیجیتال (ADC): برای تبدیل دادههای دیجیتال به آنالوگ و بالعکس.
مثال عملی از ارتباط SPI
در یک سناریو معمول، میکروکنترلر به عنوان مستر عمل میکند و یک سنسور دما به عنوان اسلیو. مستر با فعال کردن خط SS مربوط به سنسور، دادههای دما را از طریق خط MOSI به سنسور ارسال میکند و سپس پاسخ را از طریق خط MISO دریافت میکند. این فرآیند با سرعت بالا و به صورت همزمان انجام میشود که اجازه میدهد دادهها به صورت بلادرنگ (Real-time) پردازش شوند.
پروتکل SPI به دلیل انعطافپذیری و کارایی بالا در بسیاری از سیستمهای الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد و یکی از پروتکلهای پایهای برای ارتباطات بین قطعات مختلف در مدارات الکترونیکی است.
در ادامه به توضیح جزئیات این پروتکل میپردازیم:
ساختار و عملکرد SPI
SPI یک پروتکل ارتباطی سینکرون با معماری Master-Slave است که در آن یک دستگاه به عنوان مستر (Master) و یک یا چند دستگاه به عنوان اسلیو (Slave) عمل میکنند. ارتباط SPI شامل چهار خط اصلی است:
SCLK (Serial Clock):
سیگنال ساعت که توسط مستر تولید و به اسلیوها ارسال میشود.
MOSI (Master Out Slave In):
خط داده که دادهها را از مستر به اسلیو منتقل میکند.
MISO (Master In Slave Out):
خط داده که دادهها را از اسلیو به مستر منتقل میکند.
SS (Slave Select):
خط انتخاب اسلیو که توسط مستر کنترل میشود و مشخص میکند کدام اسلیو فعال است.
روش کار SPI
در ارتباط SPI، مستر سیگنال ساعت (SCLK) را تولید میکند و به اسلیوها ارسال میکند. دادهها به صورت همزمان از طریق خطوط MOSI و MISO بین مستر و اسلیو منتقل میشوند. مستر خط SS را برای انتخاب اسلیو مورد نظر فعال میکند و سپس دادهها را انتقال میدهد.
مزایا و معایب SPI
مزایا:
سرعت بالا: به دلیل استفاده از سیگنال ساعت، SPI میتواند با سرعتهای بسیار بالا دادهها را منتقل کند.
سادگی: پروتکل SPI ساده و آسان برای پیادهسازی است.
ارتباط دو طرفه: دادهها میتوانند همزمان در دو جهت منتقل شوند (Full-Duplex).
معایب: نیاز به خطوط بیشتر: نسبت به پروتکلهای دیگر مانند I2C، SPI نیاز به تعداد بیشتری خط برای ارتباط دارد. عدم پشتیبانی از آدرسدهی: برخلاف I2C، در SPI هیچ مکانیزم آدرسدهی برای شناسایی دستگاههای اسلیو وجود ندارد و هر اسلیو به یک خط SS اختصاصی نیاز دارد.
پیکربندیها و حالتهای SPI
Mode 0: در این حالت، دادهها در لبه بالارونده ساعت نمونهبرداری میشوند و لبه پایینرونده ساعت باعث تغییر حالت دادهها میشود.
(CPOL=0, CPHA=0).
Mode 1: در این حالت، دادهها در لبه پایینرونده ساعت نمونهبرداری میشوند و لبه بالارونده ساعت باعث تغییر حالت دادهها میشود.
(CPOL=0, CPHA=1).
Mode 2: در این حالت، دادهها در لبه پایینرونده ساعت نمونهبرداری میشوند و لبه بالارونده ساعت باعث تغییر حالتدادهها میشود.
(CPOL=1, CPHA=0).
Mode 3: در این حالت، دادهها در لبه بالارونده ساعت نمونهبرداری میشوند و لبه پایینرونده ساعت باعث تغییر حالت دادهها میشود.
(CPOL=1, CPHA=1).
کاربردهای SPI
SPI به دلیل سرعت بالا و سادگی در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرد:
سنسورها: برای خواندن داده از سنسورهایی مانند شتابسنجها، ژیروسکوپها و سنسورهای دما.
نمایشگرها: برای ارسال داده به نمایشگرهای LCD و OLED.
حافظهها: برای ارتباط با حافظههای فلش و EEPROM.
مبدلهای دیجیتال به آنالوگ (DAC) و آنالوگ به دیجیتال (ADC): برای تبدیل دادههای دیجیتال به آنالوگ و بالعکس.
مثال عملی از ارتباط SPI
در یک سناریو معمول، میکروکنترلر به عنوان مستر عمل میکند و یک سنسور دما به عنوان اسلیو. مستر با فعال کردن خط SS مربوط به سنسور، دادههای دما را از طریق خط MOSI به سنسور ارسال میکند و سپس پاسخ را از طریق خط MISO دریافت میکند. این فرآیند با سرعت بالا و به صورت همزمان انجام میشود که اجازه میدهد دادهها به صورت بلادرنگ (Real-time) پردازش شوند.
پروتکل SPI به دلیل انعطافپذیری و کارایی بالا در بسیاری از سیستمهای الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد و یکی از پروتکلهای پایهای برای ارتباطات بین قطعات مختلف در مدارات الکترونیکی است.
