Protocolo de comunicação SPI

O SPI, abreviatura de Interface Serial Periférica, é outro protocolo de comunicação usado em microcontroladores e seus periféricos.

Como funciona o SPI?

A Motorola implementou este padrão pela primeira vez em 1970. Assim como o I2C, é um padrão de comunicação serial síncrono. Neste método de comunicação, os dispositivos transmissores e receptores devem ter seus sinais de clock sincronizados, ou seja, devem mudar de bit ao mesmo tempo. Uma solução é enviar este sinal de clock do transmissor para os receptores.

Transmissão de dados no SPI. — No SPI, os dados são transmitidos continuamente. Sem a necessidade de bits para indicar o início e o fim da mensagem. Fonte: teachmemicro.com.

O SPI opera no modo full-duplex, ou seja, ambos os lados da comunicação podem trocar informações entre si ao mesmo tempo.

interface entre o chip e o pino de saída no SPI — Na interface entre o circuito integrado e o terminal de saída, 2 MOSFETs determinam se o sinal do pino será nível 1(“ALTO”, à esquerda) ou 0(“BAIXO”, à direita). Fonte: Open4Tech.

A curva de um pulso na configuração *push-pull*, usada pelo SPI. Em comparação com a configuração *pull-up* ou dreno aberto, presente nos protocolos I2C. Fonte: embarcados.

Interface serial e paralela

transmissão série e paralelo — Em uma interface de comunicação serial (*serial interface*), como é o caso do SPI, os bits são transmitidos um de cada vez a cada pulso de *clock*. A vantagem é que requer menos espaço. Em uma interface paralela (*parallel interface*), vários bits podem ser transmitidos ao mesmo tempo. A velocidade é maior, mas cada bit precisa ter um canal físico para a transmissão. Fonte: Adafruit.

registrador de deslocamento para SPI — O mestre e o escravo devem ter um registrador de deslocamento (*shift register*) de 8 bits para fazerem a comunicação SPI. Fonte: fastbitlab.com.

O barramento SPI

A interface de comunicação SPI requer 4 fios entre o master (que transmite comandos) e o slave (que recebe comandos).

SCLK: sinal de clock serial. Para ambos terem o mesmo sinal de clock, pois esta interface é síncrona.
MOSI (Master Output Slave Input): canal de comunicação para o mestre ou controlador enviar dados para o escravo ou periférico.
MISO (Master Input Slave Output): canal para os periféricos enviarem dados para o controlador.
SS ou CS (Slave/Chip Select): o mestre deve enviar sinal de nível “BAIXO” neste terminal para se comunicar com o receptor. Não haverá troca de dados se este estiver no nível “ALTO” ou 1.

Barramento de comunicação SPI de um mestre para vários escravos. — Para se conectar com mais de um periférico (*peripheral*), o controlador (*controller*) deve ter mais de um pino CS. Fonte: ITP Physical Computing.

Parâmetros do clock

É possível ajustar dois parâmetros no canal do clock para configurar o barramento SPI: polaridade (polarity) e fase (phase). A polaridade do clock (CPOL) determina se o estado ocioso do clock (idle state) será “1” ou “0”. Enquanto a fase do clock (CPHA), determina se a amostragem dos dados será na borda de subida ou na borda de descida do sinal de clock, este parâmetro também depende da polaridade.

amostragem no SPI — Exemplo de amostragem dos dados no SPI. Fonte: Stack Exchange.

Vantagens e desvantagens em relação ao I2C

As vantagens do SPI são:

Não precisa de bits de endereçamento, tornando a transmissão mais simples.
Maior taxa de transmissão que o I2C.
Comunicação de duas vias (full-duplex). Enquanto o I2C é half-duplex, também é de duas vias, mas o fluxo de informação em um sentido deve esperar a hora que cessar a transmissão no sentido oposto.
Menor consumo de potência.

Quanto às desvantagens:

Esta interface requer 4 fios para cada periférico, enquanto o I2C só necessita de dois.
Apenas um mestre é viável.
Não há correção de erros.
Não há verificação de recepção dos dados.