Dans cet article j'explique ce qu'est une interface SPI sans faire référence à un MCU en particulier. Il s'agit simplement de comprendre le fonctionnement de ce protocole de communication.
Serial Peripheral Interface
voici un schéma représentant cette interface.
Description des signaux
- SCLK, Serial CLOCK est un signal de synchronisation qui détermine la position des bits.
- MOSI est l'acronyme de Master Output Slave Input. Ce fil sert à transmettre les bits d'information du maître vers l'esclave.
- MISO est l'acronyme de Master Input Slave Output. Ce fil sert à transmettre les bits d'information de l'esclave vers le maître.
- SS est l'acronyme de Slave Select. Sur un bus SPI il peut y avoir plusieurs périphériques esclaves. Ce signal permet de sélectionner lequel est actif pour la communication. Notez la présence d'une barre au dessus du SS sur le schéma. Cette barre signifie que ce signal est actif lorsque le voltage est à zéro. Donc on sélectionne un esclave en mettant sa ligne SS à zéro. Les signaux de sorties d'un esclave non sélectionné sont en haute impédance et il ignore les signaux SCLK et MOSI.
A l'interne
A l'interne une interface SPI possède un seul registre à décalage1 pour la transmission et la réception.
- Mettre à zéro la ligne SS de l'esclave.
- Envoie d'un octet de commande. En inscrivant l'octet dans le registre à décalage.
- Lecture de l'octet reçu de l'esclave
- Envoie des arguments de la commande
- Lorsque l'échange est terminé remettre la ligne SS à Vdd.
Le bit le plus significatif est envoyé en premier. Si vous regardez le schéma du transfert de donnée vous voyez que le maître comme l'esclave n'ont besoin que d'un seul registre à décalage pour recevoir et transmettre. La transmission et la réception se font en simultané. A chaque cycle du signal SCLK les registres de chacun sont décalés vers la gauche et reçoivent un bit d'information dans le bit de droite qui vient d'être libéré par le décalage vers la gauche.
Pour un octet, après 8 périodes du signal SCLK les registres de décalage du maître et de l'esclave contiennent un nouvel octet reçu de l'autre partie. Si besoin est le maître qui est habituellement un MCU peut lire le registre pour récupérer cet octet avant de l'écraser avec le prochain octet à transmettre.
Phase et polarité
Avant d'utiliser une interface SPI sur MCU ont doit déterminer les paramètres suivants:
- Est-ce que le MCU est le maître ou l'esclave?
- Quel est la fréquence du signal SCLK?
- Quel est la phase du signal SCLK, paramètre CPHA
- Quel est la polarité du signal SCLK, paramètre CPOL
Dans la majorité des cas le MCU sera le maître et la fréquence de SCLCK dépend des capacités du MCU, du périphérique SPI et de l'application.
La phase CPHA et la polarité CPOL de SCLK dépend du périphérique SPI utilisé. Ces paramètres sont configurés par l'état d'un bit dans un registre de configuration de l'interface SPI sur le MCU. Puisqu'il y a 2 bits il y a 4 combinaisons possibles:
| MODE | CPOL | CPHA | décalage | échantillonnage |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | Tr desc. | Tr mont. |
| 1 | 0 | 1 | Tr mont. | Tr desc. |
| 2 | 1 | 0 | Tr mont. | Tr desc. |
| 3 | 1 | 1 | Tr desc. | Tr mont. |
CPOL détermine simplement à quel niveau logique doit-être la ligne SCLK lorsque l'interface est au repos. Lorsque ce bit est à zéro ça signifie que la ligne SCLK est à zéro au repos sinon elle est à 1.
CPHA détermine sur quelle transition le registre est décaler, i.e. envoie du bit sur la ligne. L'autre transition et utilisée pour échantillonner le bit sur la ligne de réception.
Le tableau ci-haut indique l'influence de ces 2 paramètres sur le moment du décalage et de l'échantillonnage.
exemple de périphérique SPI
Microchip vend des mémoires à interface SPI. Nous allons prendre pour notre exemple un 23LC512 qui est une mémoire RAM sérielle de 64Ko.
La procédure de communication est celle indiquée ci-haut. Supposons qu'on veut écrire un octet dans la RAM. Le diagramme suivant indique le timing sur l'entrée SPI du 23LC512.
Si on regarde le diagramme du timing de la ligne SO (MISO du SPI) du 23LC512 on a ceci.
Conclusion
Pour utiliser une interface SPI sur un MCU le plus important est de comprendre la relation entre CPOL et CPHA et de connaître les paramètres des signaux du périphérique utilisé. Le protocole SPI est utilisé entre autre par des mémoires sérielles RAM, EEPROM et FLASH. Aussi par certains affichages LCD ainsi que pour les carte SD. Vos profiterez donc d'une bonne connaissance de ce protocole dans vos projets MCU.
Notes
- Un registre à décalage permet de sérialiser un bloc de bits. Il peut s'agit d'un octet ou d'un mot plus long. Le mot est inscris dans le registre ensuite un signal clock permet de décaler les bits dans le registre un bit à la fois vers une sortie unique (1 bit). Dans le cas du protocole RS-232 les bits sont sérialisés en sortant le bit de poids faible en premier. Pour le protocole SPI c'est le bit de poids fort qui est sortie en premier. Un registre à décalage peut aussi faire l'inverse. Sois recevoir un train de bits sur une entrée et par le même principe de décalage recouvrer le mot complet dans le registre. En anglais on parle de SerDes c'est à dire Serialiser/Deserialiser. Dans le protocole SPI c'est le même registre qui accompli les 2 fonctions.
- On suppose que le signal SCLK est une onde carrée et que Thigh=Tlow donc pour Tlow=Thigh=25nsec on a une période pour SCLK de 50nsec donc 20Mhz. C'est bien selon les spécifications du 23LC512 la fréquence maximale pour SCK.
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