tutorial Comunicação SPI.

[Linuxsc Marchetti]

O objetivo deste artigo é definir os princípios da comunicação SPI, quais são suas vantagens e onde esses dispositivos são utilizados. Também vamos analisar os fundamentos básicos de hardware.

 

Tipos de Comunicação Serial

 

Uma vez que os equipamentos eletrônicos vêm agregando mais e mais funções, a utilização de diversos circuitos integrados torna-se cada vez mais comum. No entanto, não é mais possível estender longos barramentos de comunicação paralelos, pois tornariam as placas de circuito impresso caras e muito grandes. Logo, uma comunicação serial entre esses dispositivos se torna necessária.

 

Diversas tecnologias de interligação serial entre dispositivos foram desenvolvidas, podendo ser separadas em duas grandes categorias, a comunicação síncrona e a comunicação assíncrona. Dentre os métodos de comunicações mais conhecidos, destacam-se três:

 

UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter;

SPI: Serial Peripheral Interface;

I2C: Inter Integrated Circuit.

 

 

Já estamos bastante familiarizados com a comunicação serial assíncrona pelo uso do padrão UART (RS232). No entanto, existem grandes vantagens no uso de uma comunicação serial síncrona em detrimento da assíncrona.

 

Além disso, há grandes diferenças mesmo entre os protocolos síncronos. Apesar do padrão de cada protocolo definir limites máximos de taxas, cada fabricante possui a liberdade de desenvolver dispositivos com suas velocidades. Abaixo temos um comparativo entre diversos padrões dispositivos seriais:

 

 

Como um exemplo de que esses limites podem ser ultrapassados, temos AT45BD0100D da Adesto. Essa memória SPI pode chegar até 66MHz (66Mbps) de taxa de transferência. Para o I2C, o 24FC64 da Microchip pode chegar a 1MHz (1Mbps).

 

Na comunicação serial síncrona definimos também o conceito de Mestre-Escravo. Normalmente o gerador do sinal de sincronismo é definido como o Mestre (Master) da comunicação. Para os dispositivos que utilizam do sinal de sincronismo gerado damos a definição de Escravo (Slave). A ligação mais comum desse tipo de comunicação é um Master e vários Slaves.

 

 

Comunicação SPI

 

A comunicação SPI possui algumas características básicas. Primeiramente os sinais de comunicação possuem uma direção fixa e definida. Isso significa que sempre existem dois transistores definindo o estado de um pino (Push-Pull). Essa característica é uma das grandes diferenças entre outras comunicações seriais como I2C e OneWire, que possuem um mesmo barramento de dados para os sinais de entrada e saída através do esquema de dreno-aberto (Pull-Up).

 

 

Apesar de utilizar dois sinais de comunicação de dados em vez de um, é possível atingir velocidades maiores de comunicação. Isso porque há pouca deformação do sinal.

Outra característica é que toda troca de dados acontece sempre em ambas as direções. Em outras palavras, cada bit trocado entre o Master e um Slave trás um bit do Slave para o Master. Dessa forma, definimos que a comunicação é sempre full-duplex.

 

Os pinos básicos de comunicação entre dispositivos SPI e o esquema padrão de ligação são dados conforme abaixo:

 

 

 

O sinal de SS funciona como Seleção de Escravo (Slave Select). É um sinal ativo em nível baixo, o que significa que o dispositivo é selecionado quando este pino se encontra em nível baixo. No entanto, muitos dispositivos utilizam este sinal como sincronismo de frame. Dessa forma, é um sinal importante que deve ser respeitado.

 

O Dispositivo

 

O princípio básico de um dispositivo SPI é o Shift-Register. Esse tipo de dispositivo faz a conversão de um registrador paralelo para sinais seriais de acordo com clock. Cada borda recebida no terminal de clock do dispositivo significa um bit transferido. Da mesma forma esse tipo de dispositivo é capaz de receber dados vindos de maneira serial e convertê-los para um valor em um registrador paralelo.

 

 

A SPI não apenas é capaz de fazer essa conversão serial/paralelo, como também possui o gerador de clock, o controle para a troca do frame e o slave-select. Dessa forma, tornando ele um dispositivo de comunicação completo. Na figura abaixo podemos observar como ele se dispõe.

 

Forma de Onda

 

Por padrão a comunicação SPI permite a configuração das bordas de comunicação do clock através de sua polaridade e fase. A configuração da polaridade se dá através de CPOL (Clock Polarity), e a configuração da fase se dá através de CPHA (Clock Phase). Seus modos possíveis são:

 

 

Outra característica fundamental na comunicação é a definição da posição do bit mais significativo (MSB). Através de DORD é possível definir que o bit mais significativo será o primeiro (DORD = 0) ou o último (DORD = 1) bit trocado. É possível observar todas essas características através das duas imagens abaixo:

 

 

Conclusão

 

Pudemos observar as principais características da comunicação SPI, além de um comparativo de hardware com outros tipos de comunicação. Observamos diagramas do funcionamento do dispositivo e entendemos como se dá a forma de onda.

 

Não esqueça de dar um Joinha!  

 

Escrito por: Francesco Sacco.

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Editado: 16 de Março de 2019 por Linuxsc Marchetti