SPI の解説と実装リファレンス

この記事の目次

【概要】
【仕様】
1. 主要な関数とメソッド
2. 通信パラメータ
【技術的特徴】
1. ハードウェアSPI vs ソフトウェアSPI（ビットバンギング）
【注意点】
【サンプルコード】
【活用例】

【概要】

SPI（Serial Peripheral Interface）は、複数のデバイス間でシリアルデータを高速に転送するための同期型通信プロトコルです。基本的には「マスタ（Master）」と「スレーブ（Slave）」の構成をとります。マスタはクロック信号（SCK）を生成し、スレーブはそれに同期してデータをやり取りします。

SPIは「フルデュプレックス（全二重）」通信をサポートしており、マスタからスレーブへのデータ送信（MOSI）と、スレーブからマスタへのデータ受信（MISO）を同時に行うことができます。また、複数のスレーブを接続する場合、各スレーブを個別に選択するCS（Chip Select）またはSS（Slave Select）ピンを用いてデバイスを識別します。

【仕様】

ArduinoのSPIライブラリは、ハードウェアSPIコントローラを抽象化して操作するためのインターフェースを提供します。

主要な関数とメソッド

SPI.beginTransaction(SPISettings settings)
引数: SPISettingsオブジェクト（ビットレート、ビット順序、SPIモードを指定）。
動作: 通信設定を適用し、バスの所有権を確保します。
SPI.transfer(uint8_t data)
引数: 送信する8ビットデータ。
戻り値: 同時に受信した8ビットデータ。
動作: 送信と受信を同時に実行します。同期的な処理であるため、1バイトの転送が完了するまで待機します。
SPI.endTransaction()
動作: 通信設定を解除し、バスを解放します。

通信パラメータ

Clock Speed: 多くのハードウェアで数MHz〜数十MHzまで対応。
Bit Order: LSBFIRST（低位ビット優先）または MSBFIRST（高位ビット優先）。
SPI Mode:
SPI_MODE0: CPOL=0, CPHA=0
SPI_MODE1: CPOL=0, CPHA=1
SPI_MODE2: CPOL=1, CPHA=0
SPI_MODE3: CPOL=1, CPHA=1

【技術的特徴】

I2Cとの比較
配線数: I2Cは2線（SDA, SCL）ですが、SPIは最低4線（MOSI, MISO, SCK, CS）を必要とします。
通信速度: SPIはI2Cよりも高速な転送が可能であり、特に大容量データの転送に適しています。
アドレス指定: I2Cはソフトウェア的なアドレス指定を行いますが、SPIはハードウェア的なCSピンの物理的な制御によってデバイスを選択します。

ハードウェアSPI vs ソフトウェアSPI（ビットバンギング）

ハードウェアSPI: 専用のコントローラを使用するため、正確なクロックタイミングを保証し、CPU負荷を抑えて高速通信を実現します。
ソフトウェアSPI: GPIOの操作をソフトウェアで制御します。実装は容易ですが、クロック精度の維持が難しく、転送速度もCPU速度に依存するため低速です。

【注意点】

CS（Chip Select）ピンの制御

ArduinoのSPIライブラリは、CSピンの制御を自動で行いません。エンジニアは手動でdigitalWrite()を使用して、対象のスレーブを選択（LOW）および解放（HIGH）を制御する必要があります。

転送のブロッキング性

SPI.transfer()は同期的な関数です。転送中、CPUは次の命令に進まず待機するため、極端に高い周波数での転送や、長いデータの転送はメインループの実行を阻害する可能性があります。DMA（Direct Memory Access）の利用を検討する場合、標準のSPIライブラリではなく、プラットフォーム固有のDMA対応APIを使用する必要があります。

リソースの競合

複数のデバイスが同一のハードウェアSPIバスを共有する場合、一つのデバイスへの通信中に他のデバイスへの通信を試みると、データが破損する可能性があります。必ずbeginTransaction()とendTransaction()を適切に使用し、排他制御を意識する必要があります。

【サンプルコード】

以下は、一般的なセンサー（例：ADCや外部メモリ）に対して、マスタとして1バイトを送信・受信する基本構造です。

#include <SPI.h>

const int slaveSelectPin = 10; 

void setup() {
  pinMode(slaveSelectPin, OUTPUT);
  digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); // 初期状態はHigh
  SPI.begin(); 
}

void loop() {
  // 通信設定: 1MHz, MSB優先, SPI_MODE0
  SPISettings settings(1000000, MSBFIRST, SPI_MODE0); 

  SPI.beginTransaction(settings);
  digitalWrite(slaveSelectPin, LOW); // スレーブ選択

  byte sent = 0x42; 
  byte received = SPI.transfer(sent); 

  digitalWrite(slaveSelectPin, HIGH); // スレーブ解放
  SPI.endTransaction();

  // 処理の待機
  delay(1000);
}

【活用例】

ディスプレイ制御: TFT液晶やOLEDディスプレイへの高解像度画像データの描画。
ストレージデバイス: SDカード（SDIOプロトコル）や外部NOR/NANDフラッシュメモリの読み書き。
高精度センサー: 高速なサンプリングが必要な加速度センサーやインカメラ（CIS）との通信。
データ変換: 高速なADC（アナログ-デジタル変換）やDAC（デジタル-アナログ変換）モジュールの制御。