W świecie systemów wbudowanych i entuzjastów elektroniki protokół Serial Peripheral Interface (SPI) odgrywa kluczową rolę, szczególnie w sterowaniu wyświetlaczami LCD i OLED. Ale jak dobrze naprawdę rozumiesz zawiłości SPI lub praktyczne różnice między 3-przewodowymi i 4-przewodowymi implementacjami SPI? W tym artykule szczegółowo opisano podstawowe zasady SPI i jego wyspecjalizowane zastosowania w kontrolerach wyświetlania.
SPI: Szwajcarski scyzoryk komunikacji szeregowej
SPI, synchroniczny protokół komunikacji szeregowej pierwotnie opracowany przez firmę Motorola (obecnie Freescale), stał się wszechobecny w systemach wbudowanych służących do łączenia mikrokontrolerów z urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak czujniki, moduły pamięci i wyświetlacze. Jego popularność wynika z elastyczności, dużej szybkości i prostej implementacji sprzętowej.
Podstawowe linie sygnałowe SPI
Standardowy protokół SPI wykorzystuje cztery główne linie sygnałowe:
- SCK (zegar szeregowy):Sygnał zegarowy generowany przez urządzenie główne (zwykle mikrokontroler) w celu synchronizacji transmisji danych.
- MOSI (wyjście główne, wejście podrzędne):Linia danych do komunikacji master-slave.
- MISO (Master In Slave Out):Linia danych do komunikacji slave-master.
- SS (wybór niewolnika):Linia ta, znana również jako CS (Chip Select), aktywuje określone urządzenie podrzędne do komunikacji.
Transmisja danych SPI i architektura Master-Slave
SPI działa w konfiguracji master-slave, gdzie master inicjuje całą komunikację. Chociaż teoretycznie obsługuje komunikację w trybie pełnego dupleksu, większość aplikacji LCD/OLED korzysta z trybu półdupleksu. Działanie protokołu przypominające rejestr przesuwny umożliwia jednoczesny dwukierunkowy transfer danych, chociaż praktyczne implementacje często wymagają sekwencyjnych faz poleceń i danych.
SPI w kontrolerach LCD/OLED: dylemat 3-przewodowy a 4-przewodowy
Kontrolery wyświetlaczy powszechnie wdrażają dwa warianty SPI: „3-przewodowy SPI” i „4-przewodowy SPI”, wyróżniające się przede wszystkim podejściem do odróżniania poleceń od danych.
4-przewodowy SPI: dedykowana separacja poleceń/danych
Tradycyjna konfiguracja 4-przewodowa obejmuje:
- SCK (zegar)
- SS/CS (wybór chipa)
- MOSI/SDA (dane)
- C/D (wybór polecenia/danych)
Architektura ta odzwierciedla kontrolery interfejsu równoległego, które utrzymują oddzielne rejestry poleceń i danych, wykorzystując linię C/D (czasami oznaczoną jako A0) do przełączania między nimi.
3-przewodowy SPI: Kompaktowe kodowanie poleceń/danych
Usprawniona wersja 3-przewodowa eliminuje dedykowaną linię C/D, zamiast tego koduje te informacje w strumieniu danych:
- SCK (zegar)
- SS/CS (wybór chipa)
- MOSI/SDA (dane)
Tutaj dodatkowy bit (zwykle MSB) wskazuje, czy transmisja zawiera polecenia (1), czy dane (0), skutecznie tworząc transmisje 9-bitowe zamiast standardowych transferów 8-bitowych.
Wdrożenia hybrydowe
Niektóre kontrolery wykorzystują 3-przewodowe kodowanie danych, podczas gdy fizycznie korzystają z czterech przewodów (dodając MISO do operacji odczytu). Bardziej złożone warianty mogą zawierać dziesiąty bit do kodowania funkcji odczytu/zapisu, tworząc dwukierunkową komunikację na pojedynczej linii danych.
Wybór pomiędzy 3-przewodowym i 4-przewodowym SPI
Chociaż 3-przewodowy SPI ogranicza liczbę połączeń fizycznych, jego niestandardowa długość transmisji może skomplikować sprzętowe implementacje SPI. Nowoczesne procesory z elastycznymi kontrolerami SPI mogą obsługiwać transfery 9-bitowe, ale wiele tradycyjnych systemów uważa, że 4-przewodowy SPI jest prostszy do wdrożenia.
Połączenie szeregowe SPI: rozszerzanie łączności
Architektura przypominająca rejestr przesuwny SPI sprawia, że jest on szczególnie odpowiedni dla urządzeń połączonych łańcuchowo:
- Urządzenia połączone kaskadowo zachowują się jak połączone ze sobą rejestry przesuwne
- Dane propagują się w łańcuchu poprzez połączenia MISO → MOSI
- Urządzenie główne taktuje wystarczającą liczbę bitów (szerokość bitów urządzenia × liczba urządzeń) przed zablokowaniem danych
Takie podejście upraszcza systemy z wieloma urządzeniami, ale wprowadza opóźnienia proporcjonalne do długości łańcucha i wymaga, aby wszystkie urządzenia obsługiwały łączenie łańcuchowe.
Wniosek
Opanowanie implementacji SPI jest niezbędne dla programistów systemów wbudowanych pracujących z technologiami wyświetlania. Wybór pomiędzy 3-przewodowym a 4-przewodowym SPI zależy od konkretnych możliwości sprzętowych i wymagań kontrolera. Podczas gdy połączenie 3-przewodowe zapewnia ekonomiczne połączenie, 4-przewodowe zachowuje kompatybilność ze standardowym sprzętem SPI. Zrozumienie tych niuansów zapewnia optymalną integrację wyświetlania w projektach osadzonych.
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!
