SPI（シリアル・ペリフェラル・インターフェース）
SPIの定義
Serial Peripheral Interface (SPI)は、マイクロコントローラ、デジタルセンサー、SDカード、その他さまざまな周辺機器間でデータを交換するために使用される、非常に人気のある同期型シリアル通信プロトコルです。埋め込みシステムでの迅速なデータ転送を容易にするために設計されたSPIは、高速で全二重（双方向）通信をサポートする単純なアーキテクチャによって際立っています。これにより、マスターデバイスと複数のスレーブデバイス間での効率的な同時データ送信を必要とするアプリケーションに特に適しています。
SPIの主な特徴
- 全二重通信: SPIは、デバイス間の通信効率を向上させるために、データの送信と受信を同時に可能にします。
- マスター・スレーブアーキテクチャ: このプロトコルでは、マスターデバイスが通信プロトコルやクロック信号を制御し、スレーブデバイスがマスターの指示に従います。
- スピード: SPIの注目すべき利点の一つは、そのスピードです。数MHz（メガヘルツ）で動作可能で、速度は関与するマイクロコントローラの能力や配線の長さ、干渉などの運用条件に依存します。
- 柔軟性: SPIのシンプルなインターフェースは幅広いマイクロコントローラで容易に実装でき、多様なアプリケーションに適応できます。
SPIの詳細な動作
SPI通信は、データ交換を確立および管理するために4つの基本ラインを使用することが特徴です:
- MOSI (Master Out Slave In): このラインはマスターデバイスからスレーブデバイスにデータを送ります。
- MISO (Master In Slave Out): このラインを通じて、スレーブデバイスはデータをマスターデバイスに送信します。
- SCLK (Serial Clock): マスターデバイスは、このライン上でクロック信号を生成し、スレーブデバイスとの同期を取ります。
- SS/CS (Slave Select/Chip Select): このラインは、マスターデバイスが特定のスレーブデバイスをアクティブまたは非アクティブにするために使用し、デバイスネットワーク内でのターゲットコミュニケーションを可能にします。
通信プロセス
SPI通信サイクルは、マスターデバイスがSS/CSラインを低く設定してスレーブデバイスを選択すると開始します。その後、マスターがSCLKライン上でクロック信号を生成し、データ交換のペースを決定します。データはクロックの各パルスとともに、MOSIライン上でマスターからスレーブに、MISOライン上でスレーブからマスターに同時に送信されます。この調整された交換は、マスターがクロック信号を停止し、SS/CSラインを解放するまで続き、通信セッションを終了します。
SPIモード
SPIは、クロック信号の極性（アイドル高またはアイドル低）とフェーズ（クロックの立ち上がりまたは立ち下がりでデータをキャプチャ）により、異なるモードで動作します。これらのバリエーションにより、4つの可能なSPIモード（モード0からモード3）が存在し、異なる同期要件を持つデバイスに適応することができます。
利点と制限事項
SPIは全二重通信の速度と効率で評価されますが、いくつかの制限もあります。このプロトコルは、各スレーブデバイスに別々のスレーブ選択ラインを必要とし、配線を複雑にし、ネットワーク内のデバイス数を制限する可能性があります。さらに、SPIは他の一部の通信プロトコルとは異なり、デバイスアドレス指定やエラーチェック機構を本質的にサポートしておらず、これらの側面をアプリケーションが管理する必要があります。
セキュリティの考慮事項
SPIが機密または重要なデータを送信するアプリケーションでは、セキュリティ対策が極めて重要です。アクセス制御機構を実装することで、認可されたデバイスのみがSPI通信に参加できるようにし、データの傍受や操作のリスクを軽減します。さらに、データペイロードを暗号化することで、交換される情報の整合性と機密性を保護できます。デバイスのファームウェアを最新の状態に保つことは、SPIバスを通じて悪用される可能性のある脆弱性を守るために不可欠です。
新興のトレンドと技術
データ伝送の速度向上やより効率的な通信プロトコルへの要求が増大する中で、SPIは進化を続けています。最近のSPI対応のチップやマイクロコントローラの進歩により、可変クロックスピード、より多くのデバイスを管理するための拡張アドレス指定、強化されたセキュリティプロトコルなどの機能が導入されています。これらの改善は、複雑なデジタルシステムにおけるSPIの潜在的なアプリケーションを拡大するだけでなく、その従来の制限を解決します。
関連用語
- I2C (Inter-Integrated Circuit): デバイスアドレス指定をサポートするマルチマスターおよびマルチスレーブ機能を提供するシリアル通信プロトコル。I2Cは低速なボード内通信に広く使用されています。
- UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): このプロトコルはデバイス間の非同期シリアル通信を容易にします。SPIとは異なり、UARTはクロック信号を必要とせず、単純なポイントツーポイント通信に適しています。