Principes de base du protocole de communication SPI

Lorsque vous connectez un microcontrôleur à un capteur, un écran ou un autre module, vous êtes-vous déjà demandé comment ces appareils communiquent entre eux ? Comment échangent-ils des informations et parviennent-ils à se comprendre ?

La communication entre appareils électroniques est comparable à la communication entre êtres humains : les deux parties doivent parler le même langage. En électronique, ces langages sont appelés protocoles de communication.

Heureusement, il existe seulement quelques protocoles essentiels pour réaliser la majorité des projets électroniques. Dans cette série d'articles, nous découvrons les trois protocoles les plus utilisés :

• SPI (Serial Peripheral Interface)
• I²C (Inter-Integrated Circuit)
• UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

Dans cet article, nous nous concentrerons sur le protocole SPI, son fonctionnement, ses caractéristiques, ainsi que ses avantages et ses limites.

Pourquoi utiliser les protocoles SPI, I²C et UART ?

Les protocoles SPI, I²C et UART sont plus simples que des technologies comme l'USB, l'Ethernet, le Bluetooth ou le Wi-Fi. Bien qu'ils offrent des débits de transmission inférieurs, ils nécessitent moins de ressources matérielles et logicielles.

Ils sont particulièrement adaptés à la communication entre :

• microcontrôleurs ;
• capteurs ;
• écrans ;
• mémoires ;
• modules électroniques.

Ils sont privilégiés lorsque le transfert de grandes quantités de données à très haute vitesse n'est pas nécessaire.

Communication série ou communication parallèle

Les appareils électroniques échangent des données sous forme de bits transmis par des fils électriques.

Un bit ne peut prendre que deux valeurs :

• 0
• 1

Ces valeurs sont représentées par des niveaux de tension électrique.

Communication parallèle

Dans une communication parallèle, plusieurs bits sont envoyés simultanément, chacun sur un fil distinct.

(Insérer ici le schéma de la transmission parallèle.)

Communication série

Dans une communication série, les bits sont transmis un par un sur une seule ligne de données.

(Insérer ici le schéma de la transmission série.)

Le protocole SPI appartient à la famille des protocoles de communication série.

Qu'est-ce que le protocole SPI ?

Le SPI (Serial Peripheral Interface) est un protocole de communication série synchrone permettant à un microcontrôleur de communiquer rapidement avec un ou plusieurs périphériques.

Contrairement à l'I²C ou à l'UART, le SPI permet un transfert continu des données, sans bits de démarrage ni d'arrêt.

Le SPI fonctionne selon une architecture maître-esclave :

• le maître est généralement un microcontrôleur ;
• les esclaves sont des capteurs, afficheurs, mémoires ou autres périphériques.

Les quatre lignes du bus SPI

Le SPI utilise quatre connexions principales.

MOSI (Master Output / Slave Input)

Permet au maître d'envoyer des données vers l'esclave.

MISO (Master Input / Slave Output)

Permet à l'esclave de renvoyer des données vers le maître.

SCLK (Serial Clock)

Fournit le signal d'horloge qui synchronise les échanges.

CS ou SS (Chip Select / Slave Select)

Permet au maître de sélectionner le périphérique avec lequel il souhaite communiquer.

Comment fonctionne le protocole SPI ?

Le rôle de l'horloge (SCLK)

Le maître génère le signal d'horloge qui synchronise la transmission des bits.

Chaque impulsion d'horloge permet le transfert d'un bit.

La fréquence de cette horloge détermine directement la vitesse de communication.

Le SPI est donc un protocole synchrone, contrairement à l'UART qui fonctionne sans horloge et utilise un débit en bauds prédéfini.

Polarité et phase de l'horloge

Le signal d'horloge peut être configuré selon deux paramètres :

• la polarité (Clock Polarity - CPOL) ;
• la phase (Clock Phase - CPHA).

Ces réglages déterminent à quel moment les données sont envoyées et lues sur les fronts montant ou descendant de l'horloge.

Sélection des périphériques esclaves

Avant toute communication, le maître active la ligne CS/SS du périphérique concerné en la mettant à l'état bas.

Lorsque la communication est terminée, cette ligne revient à l'état haut.

Chaque périphérique peut disposer de sa propre ligne CS/SS.

Communication avec plusieurs esclaves

Le SPI permet de connecter plusieurs périphériques à un seul maître.

Connexion en parallèle

Chaque périphérique possède sa propre ligne CS.

(Insérer ici le schéma correspondant.)

Connexion en chaîne (Daisy Chain)

Lorsque le maître ne possède qu'une seule ligne CS, les périphériques peuvent être reliés en série.

(Insérer ici le schéma correspondant.)

Transmission des données via MOSI et MISO

Le maître envoie les données sur la ligne MOSI, bit par bit.

Dans la majorité des cas, les données sont transmises en commençant par le bit de poids fort (MSB).

L'esclave peut simultanément envoyer des informations au maître via la ligne MISO, ce qui permet une communication full duplex.

Avantages du protocole SPI

Le SPI présente plusieurs avantages importants :

• communication rapide ;
• transfert continu des données sans interruption ;
• absence de bits de départ et d'arrêt ;
• protocole simple à mettre en œuvre ;
• débit supérieur à celui de l'I²C ;
• communication simultanée dans les deux sens grâce aux lignes MOSI et MISO distinctes.

Inconvénients du protocole SPI

Malgré ses performances, le SPI présente également quelques limites :

• nécessite quatre fils de communication ;
• absence d'accusé de réception des données ;
• aucun mécanisme intégré de détection d'erreurs ;
• architecture limitée à un seul maître.

SPI, I²C ou UART : quel protocole choisir ?

Le choix dépend principalement de votre application.

Le SPI est recommandé lorsque :

• la vitesse est importante ;
• plusieurs données doivent être échangées rapidement ;
• le nombre de fils n'est pas une contrainte.

L'I²C sera préférable lorsque plusieurs périphériques doivent partager seulement deux fils.

L'UART est particulièrement adapté aux communications point à point entre deux appareils.

Conclusion

Le protocole SPI est l'une des solutions les plus rapides et les plus simples pour faire communiquer un microcontrôleur avec des capteurs, des mémoires ou des afficheurs. Grâce à son architecture synchrone et à son fonctionnement en duplex intégral, il constitue un excellent choix pour les projets embarqués nécessitant des échanges rapides de données.