Serial Communication: SPI

ผลการเรียนรู้ (Learning Outcomes)

• ระบุสายสัญญาณ 4 เส้นของ SPI (MOSI, MISO, SCK, SS/CS) และหน้าที่ของแต่ละเส้น
• เปรียบเทียบ SPI กับ I2C ได้ (จำนวนสาย, การเลือก Slave, ความเร็ว, duplex)
• อธิบายการต่อ Slave หลายตัวแบบ independent และแบบ daisy-chain
• อธิบาย 4 โหมดของ SPI จาก CPOL/CPHA และบอกได้ว่าต้องตั้งให้ตรงกับ Slave
• ยกตัวอย่างอุปกรณ์ที่ใช้ SPI (DAC ภายนอก, SD Card) และข้อดี/ข้อจำกัดของ SPI

§10.1 SPI คืออะไร และสายสัญญาณ 4 เส้น

SPI ย่อมาจาก Serial Peripheral Interface เป็น synchronous serial protocol (มี clock) เหมือน I2C แต่ใช้สาย 4 เส้น. ออกแบบสำหรับการสื่อสารระยะสั้น เช่นระหว่างชิปบนแผ่น PCB เดียวกัน.

SPI มีบทบาท Master และ Slave เหมือน I2C แต่โดยทั่วไปมี Master ได้เพียงตัวเดียว (single-master) ต่างจาก I2C ที่เป็น multi-master. MCU มักเป็น Master ส่วนเซนเซอร์/IC เป็น Slave.

เพราะ SPI มีสายข้อมูลแยกสองเส้น (เข้าและออก) จึงรับและส่งพร้อมกันได้ (full-duplex) ถ้าวงจรรองรับ. STM32F767ZI รองรับ full-duplex ได้. โดยรวม SPI เร็วกว่า I2C.

SPI ไม่ใช้ address แบบ I2C. แทนที่จะส่ง address ไปเรียก Master จะใช้ขา chip select (SS หรือ CS) เลือกว่าจะคุยกับ Slave ตัวใด. ขานี้เป็น active low คือดึงลงเป็น 0 เพื่อเปิดใช้ Slave ตัวนั้น.

§10.2 SPI เทียบกับ I2C

ทั้งคู่เป็น synchronous serial แต่ต่างกันหลายจุด. I2C ใช้ 2 สายและเลือกอุปกรณ์ด้วย address ส่วน SPI ใช้ 4 สายและเลือกด้วยขา chip select.

SPI มีสายข้อมูลแยกไป-กลับ (MOSI/MISO) จึง full-duplex ได้ ส่วน I2C มีสายข้อมูลเส้นเดียว (SDA). SPI โดยรวมเร็วกว่า I2C.

มองจากขา control (chip select) การต่อ Slave หลายตัวแบบแยกกันจะเป็นลักษณะ star topology (ขา CS แยกไปแต่ละ Slave). แต่สายข้อมูล MOSI/MISO/SCK จะแชร์กันแบบบัส.

ข้อแลกเปลี่ยน: SPI ตั้งค่าง่าย ไม่มีเรื่อง address ให้ปวดหัว แต่ต้องเดินสายมากกว่า และถ้ามี Slave หลายตัวต้องมีขา chip select หลายขา ซึ่ง Master ต้องควบคุมเอง.

§10.3 การต่อ Slave หลายตัว: Independent และ Daisy-chain

แบบ independent: Slave แต่ละตัวมีขา chip select ของตัวเอง แยกจาก Master แบบ point-to-point ส่วนสาย MOSI/MISO/SCK แชร์กันแบบบัส. Master เลือกคุยทีละตัวโดยดึง CS ของตัวนั้นลงเป็น 0. ข้อดีคือควบคุมชัดเจน ข้อเสียคือต้องมีขา CS เท่าจำนวน Slave.

แบบ daisy-chain: ต่อ Slave พ่วงกันเป็นลูกโซ่เพื่อลดจำนวนสาย โดยใช้ CS ร่วมกัน. ข้อมูลออกจาก Master เข้า Slave ตัวแรก แล้วส่งต่อไปตัวถัดไปเรื่อยๆ เหมือนตัวแรกเก็บข้อมูลของตัวเองไว้แล้วส่งที่เหลือต่อ. สุดท้ายข้อมูลจาก Slave ทุกตัวจะวนกลับเข้า Master.

ข้อแลกเปลี่ยนของ daisy-chain: สายน้อยลง แต่ข้อมูลต้องไหลผ่านทุกตัวตามลำดับ ทำให้ throughput ช้าลงเมื่อมี Slave จำนวนมาก เพราะต้องรอส่งต่อกันไปทีละตัว.

เพราะ SPI มีสายข้อมูลสองเส้น (MOSI/MISO) ข้อมูลจึงถูกเลื่อน (shift) เข้า-ออกพร้อมกันผ่าน shift register ภายใน ทำให้รับและส่งเกิดในจังหวะ clock เดียวกัน (full-duplex) เร็วกว่าการทำทีละทิศ.

§10.4 โหมดของ SPI (CPOL / CPHA)

SPI มี 4 โหมด เกิดจากการจับคู่ของพารามิเตอร์สองตัว. CPOL (Clock Polarity) กำหนดว่าตอนไม่มีการส่ง (idle) สาย clock อยู่ที่ระดับ 0 หรือ 1. CPHA (Clock Phase) กำหนดว่าจะ sample ข้อมูลที่ขอบ clock ขอบแรกหรือขอบที่สอง.

Master และ Slave ต้องตั้งโหมดให้ตรงกันถึงจะคุยกันได้. ถ้า Master เป็น multi-master หรือมี Slave หลายตัวที่ใช้โหมดต่างกัน Master ต้องเปลี่ยน CPOL/CPHA ให้ตรงกับ Slave ตัวที่จะคุยด้วย.

โหมด 0 กับโหมด 2 จะ sample ข้อมูลที่ขอบแรก ส่วนโหมด 1 กับโหมด 3 จะ sample ที่ขอบที่สอง ความต่างระหว่างโหมดคู่กันคือ idle ของ clock เป็น 0 หรือ 1 (CPOL). ในทางปฏิบัติที่พบบ่อยคือโหมด 0 และโหมด 3.

STM32F767ZI มีโมดูล SPI 6 ตัว (SPI1–SPI6) ความเร็วสูงสุดราว 54 Mbit/s สำหรับบางตัว. ตั้งค่าได้ว่าเป็น Master หรือ Slave, ขนาด frame ต่อครั้งเลือกได้ 4–16 bit, และทำ full-duplex ได้เมื่อใช้คำสั่ง TransmitReceive.