SPI 통신이란?

시리얼 페리페럴 통신(Serial Peripheral Interface, SPI)은 마이크로컨트롤러와 다양한 주변 장치(센서, 메모리 장치 등) 간의 통신을 위해 사용되는 동기식 직렬 통신 버스입니다. SPI는 고속 통신이 가능하며, 마스터-슬레이브 구조를 갖추고 있습니다.

SPI의 기본 구성 요소

SPI 통신은 다음과 같은 네 가지 주요 신호선을 사용합니다:

1. MISO (Master In Slave Out): 슬레이브 장치에서 마스터 장치로 데이터를 전송하는 라인입니다.
2. MOSI (Master Out Slave In): 마스터 장치에서 슬레이브 장치로 데이터를 전송하는 라인입니다.
3. SCLK (Serial Clock): 마스터 장치에서 생성하여 슬레이브 장치에 제공하는 클록 신호입니다. 이 클록 신호를 통해 데이터 전송이 동기화됩니다.
4. SS (Slave Select): 마스터 장치가 특정 슬레이브 장치를 선택하는 데 사용하는 신호입니다. 선택된 슬레이브 장치가 활성화되어 통신할 수 있습니다.

SPI의 특징

• 동기식 통신: SPI는 마스터 장치가 생성한 클록 신호를 사용하여 데이터 전송을 동기화합니다.
• 고속 데이터 전송: SPI는 일반적으로 높은 데이터 전송 속도를 지원합니다.
• 다중 슬레이브 지원: 하나의 마스터 장치가 여러 개의 슬레이브 장치와 통신할 수 있습니다. 각 슬레이브는 고유의 SS 라인을 가집니다.
• 풀 이중 통신: 데이터가 동시에 양방향으로 전송될 수 있습니다 (마스터에서 슬레이브로, 슬레이브에서 마스터로).

SPI의 작동 방식

SPI 통신의 기본 작동 방식은 다음과 같습니다:

1. 마스터 장치는 특정 슬레이브 장치를 선택하기 위해 해당 슬레이브의 SS 라인을 활성화합니다 (보통 낮은 전압, 즉 0V로 설정).
2. 마스터 장치는 SCLK 신호를 생성하여 클록 신호를 제공합니다.
3. 마스터와 슬레이브는 MOSI와 MISO 라인을 통해 데이터를 주고받습니다.
4. 통신이 완료되면 마스터는 SS 라인을 비활성화합니다 (보통 높은 전압, 즉 3.3V 또는 5V로 설정).

SPI의 응용 분야

SPI는 고속 데이터 전송이 필요한 다양한 응용 분야에서 사용됩니다:

• 센서 데이터 수집
• 디지털 메모리 장치와의 통신 (예: 플래시 메모리)
• 디스플레이 제어
• 무선 통신 모듈 (예: Wi-Fi, Bluetooth)

SPI의 장단점

장점:

• 간단한 하드웨어 구성
• 높은 데이터 전송 속도
• 동기식 데이터 전송으로 안정적인 통신

단점:

• 다중 슬레이브 장치를 사용할 때 추가적인 SS 라인이 필요
• 장거리 통신에 적합하지 않음 (신호 감쇠 가능성)

SPI는 그 간단함과 효율성 덕분에 다양한 임베디드 시스템에서 널리 사용되는 통신 프로토콜입니다.

 

 

SPI통신의 모드

SPI 통신에는 네 가지 모드가 있으며, 각 모드는 클록 신호와 데이터 샘플링의 상관관계를 정의합니다. 이 모드들은 CPOL(Clock Polarity)과 CPHA(Clock Phase)라는 두 가지 매개변수에 의해 결정됩니다.

CPOL (Clock Polarity)

• CPOL=0: 클록이 낮은 상태(0)일 때 Idle 상태로 유지됩니다.
• CPOL=1: 클록이 높은 상태(1)일 때 Idle 상태로 유지됩니다.

CPHA (Clock Phase)

• CPHA=0: 첫 번째 클록 에지(상승 또는 하강 에지)에서 데이터 샘플링이 시작됩니다.
• CPHA=1: 두 번째 클록 에지에서 데이터 샘플링이 시작됩니다.

이 두 가지 매개변수를 결합하여 다음 네 가지 SPI 모드를 정의할 수 있습니다:

1. Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0):
   • 클록이 낮은 상태에서  Idle 상태를 유지합니다.
   • 첫 번째 클록 에지에서 데이터 샘플링이 이루어집니다 (상승 에지).
2. Mode 1 (CPOL=0, CPHA=1):
   • 클록이 낮은 상태에서  Idle 상태를 유지합니다.
   • 두 번째 클록 에지에서 데이터 샘플링이 이루어집니다 (하강 에지).
3. Mode 2 (CPOL=1, CPHA=0):
   • 클록이 높은 상태에서  Idle 상태를 유지합니다.
   • 첫 번째 클록 에지에서 데이터 샘플링이 이루어집니다 (하강 에지).
4. Mode 3 (CPOL=1, CPHA=1):
   • 클록이 높은 상태에서  Idle 상태를 유지합니다.
   • 두 번째 클록 에지에서 데이터 샘플링이 이루어집니다 (상승 에지).

 

SPI Timing Diagram

SPI 모드의 사용 예

• Mode 0은 많은 기본적인 SPI 장치에서 사용됩니다.
• Mode 1은 특히 클록의 두 번째 에지에서 안정적으로 데이터가 전송될 때 사용됩니다.
• Mode 2는 클록이 높은 상태에서 시작하는 경우 사용됩니다.
• Mode 3은 클록이 높은 상태에서 시작하고, 상승 에지에서 안정적인 데이터 전송이 필요한 경우 사용됩니다.

이 모드 설정은 SPI 통신을 설정할 때 매우 중요하며, 마스터와 슬레이브 장치 모두 동일한 모드를 사용해야 합니다. 모드를 잘못 설정하면 데이터 전송이 제대로 이루어지지 않을 수 있습니다.

각 모드의 설정은 보통 데이터시트나 해당 장치의 설명서에 명시되어 있으므로, 해당 장치를 사용할 때 참고하는 것이 중요합니다.

참고 문서

• SparkFun - SPI Overview
• Maxim Integrated - Understanding SPI Protocol
• NXP - SPI Block Guide

 

Idle 상태란?

SPI 통신에서 "Idle 상태"란 클록 신호가 데이터 전송이 이루어지지 않는 동안 유지되는 기본 상태를 의미합니다. 이 상태는 CPOL(Clock Polarity) 설정에 따라 달라집니다.

Idle State

• CPOL = 0: 클록 신호가 낮은 상태(0)를 유지합니다.
• CPOL = 1: 클록 신호가 높은 상태(1)를 유지합니다.

즉, CPOL 설정에 따라 클록 신호가 데이터 전송이 없는 동안 어떤 상태로 유지될지를 정의합니다. 이는 클록의 시작 상태와 종료 상태를 결정하는 중요한 요소입니다.

공휴 상태의 중요성

공휴 상태는 SPI 통신의 안정성과 정확성에 중요한 역할을 합니다. 마스터와 슬레이브 장치가 동일한 공휴 상태를 유지하지 않으면 데이터 전송이 불안정해지거나 오류가 발생할 수 있습니다. 따라서 SPI 통신을 설정할 때 마스터와 슬레이브가 동일한 CPOL 및 CPHA 설정을 사용하는 것이 중요합니다.

예시

• CPOL=0: 데이터 전송이 없는 동안 클록 라인이 낮은 전압 상태를 유지합니다.
• CPOL=1: 데이터 전송이 없는 동안 클록 라인이 높은 전압 상태를 유지합니다.

이 설정은 주로 장치의 데이터 시트나 기술 문서에서 확인할 수 있으며, 올바른 설정을 통해 안정적인 SPI 통신을 보장할 수 있습니다.

 

※ ChatGPT-4o를 이용해 작성된 포스트입니다.