SPI (Serial Peripheral Interface)

SPI는 직렬 주변 장치 인터페이스(Serial Peripheral Interface)의 약자로, 마스터와 슬레이브 장치 간의 고속, 동기식 직렬 통신에 사용되는 프로토콜입니다. 일반적으로 4개의 핀을 사용하며, 각 핀의 역할은 다음과 같다.

• SCLK (Serial Clock): 마스터가 생성하는 클럭 신호입니다. 이 클럭 신호에 맞춰 데이터 송수신이 동기화됩니다.
• MOSI (Master Out Slave In): 마스터에서 슬레이브로 데이터가 전송되는 라인입니다. 마스터는 이 핀으로 데이터를 송신한다.
• MISO (Master In Slave Out): 슬레이브에서 마스터로 데이터가 전송되는 라인입니다. 마스터는 이 핀으로 데이터를 수신한다.
• CS(SS) (Chip Select / Slave Select): 마스터가 특정 슬레이브 장치를 선택하고 활성화/비활성화하는 데 사용되는 신호, 이 핀이 Low(Active Low)가 되면 해당 슬레이브가 마스터와의 통신을 준비한다.

SPI는 4개의 핀을 사용하여 통신하며, I2C와 유사하게 마스터-슬레이브 구조를 통해 여러 장치와 통신할 수 있다. 하지만 I2C처럼 주소(Address) 방식이 아닌 각 슬레이브의 CS 핀을 이용해 선택한다는 차이가 존재. 또한, USART(UART)와는 달리 클럭 신호(SCLK)를 함께 사용하여 동기식 통신을 수행한다는 점이 특징. 이 세 가지 프로토콜의 주요 차이점을 비교하며 SPI의 특징을 자세히 알아보자.

SPI의 장점

• 안정적인 고속 통신: 클럭 신호(SCLK)를 마스터가 직접 생성하여 데이터를 동기화하므로, I2C나 비동기식 USART(UART)보다 훨씬 안정적이고 빠른 고속 통신이 가능, (일반적으로 수십 Mbps 이상) 클럭이 함께 가기 때문에 타이밍 오류 발생 가능성이 낮아진다.
• 전이중(Full-Duplex) 통신 지원: MOSI와 MISO 핀이 각각 송신과 수신을 전담하므로, 동시에 양방향 데이터 전송이 가능합니다. 이는 I2C가 SDA 핀 하나로 송수신을 처리하여 반이중(Half-Duplex) 통신만 가능한 것과 대조됨.
• 간단한 하드웨어 구현: 슬레이브 측에서는 복잡한 주소 디코딩 로직이 필요 없어 비교적 간단하게 구현될 수 있다.

SPI의 단점

• 많은 핀 사용 및 복잡한 배선: 기본적으로 4개의 핀(SCLK, MOSI, MISO, CS)을 사용하며, 특히 여러 개의 슬레이브 장치와 통신할 경우 각 슬레이브마다 별도의 CS(SS) 핀이 필요하여 마이크로컨트롤러의 GPIO 핀 소모가 커지고 배선이 복잡해질 수 있다. (I2C는 2개의 핀으로 여러 슬레이브 통신 가능)
• 응답(ACK/NACK) 메커니즘 부재: 내장된 데이터 응답(ACK/NACK) 메커니즘이 없어, 데이터 전송 성공 여부를 하드웨어적으로 직접 확인하기 어렵다. 오류 감지 및 처리는 주로 상위 소프트웨어 레벨에서 구현해야 함.
• 마스터 단일화 및 거리 제약: 일반적으로 단일 마스터 시스템에 적합하며, 여러 마스터가 하나의 SPI 버스를 공유하기 어렵다. 또한, 비교적 짧은 거리(보드 내) 통신에 적합하며, 장거리 통신 시 노이즈에 취약할 수 있다.

통신 방식

SPI 통신은 마스터와 슬레이브 양쪽에 있는 시프트 레지스터(Shift Register)를 통해 이루어진다. 마스터가 SCLK 신호를 생성하면, 이 클럭 신호에 동기화되어 MOSI 라인을 통해 마스터의 데이터가 슬레이브로 1비트씩 이동하고, 동시에 MISO 라인을 통해 슬레이브의 데이터가 마스터로 1비트씩 이동합니다. 즉, 데이터는 클럭 신호에 맞춰 매 비트마다 교환되는 방식.

이는 마치 양방향으로 연결된 컨베이어 벨트와 같다. 마스터가 데이터를 실어 보내는 동안, 슬레이브도 동시에 자신의 데이터를 마스터에게 보낼 수 있다.

출처 : https://aliencoder.tistory.com/92

SPI 통신 설정에서 중요한 것은 클럭 극성(CPOL: Clock Polarity)과 클럭 위상(CPHA: Clock Phase)이다. 이 두 가지 설정에 따라 SCLK 핀이 유휴 상태일 때의 레벨과 데이터 샘플링 시점이 결정되며, 총 4가지 SPI 모드(Mode 0~3)가 존재한다. 통신하는 마스터와 슬레이브는 동일한 SPI 모드로 설정되어야 정상적인 통신이 가능하다.

• CPOL (Clock Polarity): 유휴 상태(데이터 전송이 없을 때)의 SCLK 레벨을 정의. (0: Low, 1: High)
• CPHA (Clock Phase): 데이터를 클럭의 첫 번째 엣지(Edge)에서 샘플링할지, 두 번째 엣지에서 샘플링할지를 정의. (0: 첫 번째 엣지, 1: 두 번째 엣지)

요약

• SPI는 마이크로컨트롤러와 주변 장치 간에 데이터를 주고받는 고속, 동기식 직렬 통신 프로토콜임.

• 핵심 특징:

  • 4개의 전용 핀 사용:

    SCLK (Serial Clock): 마스터가 생성하는 클럭 신호로, 데이터 동기화에 사용됨.
    MOSI (Master Out Slave In): 마스터가 슬레이브로 데이터를 보내는 라인임.
    MISO (Master In Slave Out): 슬레이브가 마스터로 데이터를 보내는 라인임.
    CS/SS (Chip Select/Slave Select): 마스터가 특정 슬레이브를 활성화하여 통신할 때 사용함.

  • 마스터-슬레이브 구조: 마스터가 통신을 주도하며, CS 핀을 통해 여러 슬레이브 중 하나를 선택하여 통신할 수 있음.

  • 동기식 통신: 클럭 신호를 함께 보내기 때문에 정확한 타이밍으로 데이터를 주고받을 수 있음.

• 장점:

  • 매우 빠른 고속 통신: 클럭 동기화 덕분에 I2C나 비동기식 USART(UART)보다 훨씬 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있음.
  • 전이중(Full-Duplex) 통신: MOSI와 MISO 라인을 통해 데이터를 동시에 양방향으로 주고받을 수 있어 효율적임.
  • 간단한 하드웨어 구현: 슬레이브 장치에 복잡한 주소 지정 로직이 필요 없어 비교적 단순하게 설계됨.

• 단점:

  • 많은 핀 사용 및 복잡한 배선: 기본적으로 4개의 핀이 필요하며, 슬레이브 장치가 늘어날수록 CS 핀이 추가되어 마이크로컨트롤러의 핀 소모가 커지고 배선이 복잡해질 수 있음.
  • ACK/NACK 부재: I2C처럼 하드웨어적인 데이터 수신 확인(ACK/NACK) 메커니즘이 없어, 오류 감지 및 처리는 소프트웨어 레벨에서 구현해야 함.
  • 단일 마스터 중심: 여러 마스터가 하나의 SPI 버스를 공유하는 것이 어려움.

• 통신 방식:

  • 마스터와 슬레이브의 시프트 레지스터를 통해 SCLK 클럭에 맞춰 데이터가 1비트씩 동시 교환됨. 통신 시 마스터와 슬레이브는 클럭 극성(CPOL)과 클럭 위상(CPHA)을 동일하게 설정해야 하며, 이 조합에 따라 4가지 SPI 모드(Mode 0~3)가 결정됨.

• 활용 분야:

  • 주로 SD 카드, 플래시 메모리, LCD 디스플레이, 고속 센서, ADC/DAC 등 고속의 데이터 교환이 필요한 근거리 임베디드 장치 통신에 널리 사용됨.