SPI Subsystem -1- (Basic)

 

SPI(Serial Peripheral Interface)

1980년대 중반에 모토롤라가 처음 개발한 동기 시리얼 통신 인터페이스로 간략히 소개하면 다음과 같다.

• SPI(Serial Peripheral Interface)는 마이크로컨트롤러를 센서, 메모리(SPI-NAND, MMC 및 SD Card, …), 주변장치에 연결하는 데 사용되는 동기식 4선 직렬 링크이다. 이것은 단순한 “사실상의(de facto)” 표준이다.
• SPI는 마스터/슬레이브 구성을 사용하고, 싱글 마스터만을 지원하며 슬레이브는 1개 이상과 연결할 수 있다.
• 디폴트 구성에서 4 wire를 사용하며 Full Duplex를 지원한다.
  • 컨트롤러에 따라 Half Duplex를 지원하는 여러 모드가 사용된다.
• 연속 전송을 위해 DMA Engine을 사용하여 Queue를 지원하는 컨트롤러도 있다.
• 다음 2개의 설정 조합으로 4개의 클럭 모드를 사용한다.
  • CPOL(Clock Polarity)={0, 1}
  • CPHA(Clock PHAse)={0, 1}
• 최대 클럭이 제한되지 않아 속도 제한이 없다.
• 구현이 간단하므로 저속 SPI Master 또는 SPI Slave는 GPIO pin을 사용하여 구현할 수도 있다.

 

기본 4개의 핀 구성

• SCLK
  • 클럭
  • SCK, CLK, SCL로 부르기도 한다.
• MOSI
  • Master Output Slave Input
  • SIMO, SDI, DI, SDA로 부르기도 한다.
• MISO
  • Master Output Slave Input
  • SOMI, SDO, DO, SDA로 부르기도 한다.
• SS#
  • Slave Select (Low Active)

 

여러 SPI 전송 모드

다음과 같이 Half Duplex를 사용하는 여러 종류의 SPI 모드들을 지원하는 컨트롤러도 있다.

• 3 wire SPI
  • Half Duplex 입출력 wire를 1개 지원한다.
  • 저속 EEPROM 및 센서류에서 사용된다.
• Dual SPI
  • Half Duplex 입출력 wire를 2개 지원한다. (단방향 속도가 2배)
• Quad SPI
  • Half Duplex 입출력 wire를 4개 지원한다. (단방향 속도가 4배)
  • SPI-Nor 플래시 및 SPI-Nand 플래시에 자주 사용된다.

 

연결 구성 방식

SPI 버스를 구성하는 방법으로 다음과 같이 두 가지 방식을 사용한다.

• 독립 slave 구성 방식
  • SPI 디바이스를 선택하여 사용하는 방식이다.
• Daisy-chain slave 구성 방식
  • 데이터 비트를 서로 밀어내는 방식이다.

 

SPI 장점

• Push-Pull 출력(Open Drain이 아닌)을 사용하여 상호간에 같은 전압을 사용하여 시그널 정합성과 고속을 지원한다.
• I2C 보다 낮은 소비 전력
• Arbitration이 없다.
• 슬레이브는 마스터가 보내주는 클럭만을 사용하고 정확성이 떨어져도 문제 없다.

 

SPI 단점

• 인밴드(디폴트 SPI wire)를 통해 주소가 지원되지 않아 다 수의 슬레이브를 사용 시 별도의 아웃밴드(칩 셀렉트 라인)를 통해 슬레이브를 선택해야 한다.
• HW Flow-control이 없다.
• 하나의 마스터만 지원한다.
• 에러 체킹을 지원하지 않는다.
• Hot 플러그를 지원하지 않는다.
• Dual, Quad, 3-wire를 지원하는 경우 Half-Duplex만 지원한다.

 

Applications

• EEPROM, 플래시 메모리
• MMC or SD Card
• LCD
• RTC(Real Time Clock)
• 각종 센서류

 

클럭 트리거 모드

SPI 컨트롤러들은 다음 테이블과 같이 4가지 모드 중 하나 이상을 지원한다.

CPOL:

• 0-클럭 idle이 low에서 출발
• 1-클럭 idle이 high에서 출발

CPHA:

• 0-시작 pulse에서 동작
• 1-종료 pulse에서 동작

 

모드에 따라 트리거되는 시점이 다음과 같이 다름을 알 수 있다.

 

Shift Register

SPI 장치들은 Shift Register를 가지고 있다.

• 기본적으로 MSB부터 전송되는데 특정 컨트롤러는 LSB부터 전송을 수행시키는 방법도 지원한다.

 

간단한 SPI의 Write 및 Read 동작

 

Quad SPI에서의 입출력 동작

 

디바이스 트리

Case 1) Broadcom Northstar SPI

arch/arm64/boot/dts/broadcom/northstar2$/ns2.dtsi

qspi: spi@66470200 {
        compatible = "brcm,spi-bcm-qspi", "brcm,spi-ns2-qspi";
        reg = <0x66470200 0x184>,
              <0x66470000 0x124>,
              <0x67017408 0x004>,
              <0x664703a0 0x01c>;
        reg-names = "mspi", "bspi", "intr_regs",
                    "intr_status_reg";
        interrupts = <GIC_SPI 419 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
        interrupt-names = "spi_l1_intr";
        clocks = <&iprocmed>;
        clock-names = "iprocmed";
        num-cs = <2>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
};

• num-cs
  • 최대 2개의 슬레이브 셀렉트 기능을 갖고 있다.

 

arch/arm64/boot/dts/broadcom/northstar2$/ns2-svk.dts

&qspi {
        bspi-sel = <0>;
        flash: m25p80@0 {
                #address-cells = <1>;
                #size-cells = <1>;
                compatible = "m25p80";
                reg = <0x0>;
                spi-max-frequency = <12500000>;
                m25p,fast-read;
                spi-cpol;
                spi-cpha;

                partition@0 {
                        label = "boot";
                        reg = <0x00000000 0x000a0000>;
                };

                partition@a0000 {
                        label = "env";
                        reg = <0x000a0000 0x00060000>;
                };

                partition@100000 {
                        label = "system";
                        reg = <0x00100000 0x00600000>;
                };

                partition@700000 {
                        label = "rootfs";
                        reg = <0x00700000 0x01900000>;
                };
        };
};

3V 전압으로 동작하는 Micron M25P80 시리얼 Nor 플래시 임베디드 메모리로 8Mbit 용량을 가지고 있다.

• spi-max-frequency
  • frequency를 제한한다.
  • 위의 예에서는 12.5Mhz
•  m25p,fast-read
  • fast-read를 지원한다.
• spi-cpol
  • 클럭이 high부터 출발해야하는 경우 설정되는 속성이다.
• spi-cpha
  • 클럭이 faling edge 방향에서 데이터와 동기되어야 하는 속성이다.

 

Case 2) Rockchip SPI

arch/arm64/boot/dts/rockchips/rk3399.dtsi

spi1: spi@ff1d0000 {
        compatible = "rockchip,rk3399-spi", "rockchip,rk3066-spi";
        reg = <0x0 0xff1d0000 0x0 0x1000>;
        clocks = <&cru SCLK_SPI1>, <&cru PCLK_SPI1>;
        clock-names = "spiclk", "apb_pclk";
        interrupts = <GIC_SPI 53 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH 0>;
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&spi1_clk &spi1_tx &spi1_rx &spi1_cs0>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <0>;
        status = "disabled";
};

 

arch/arm64/boot/dts/rockchips/rk3399-gru.dtsi

&spi1 {
        status = "okay";

        pinctrl-names = "default", "sleep";
        pinctrl-1 = <&spi1_sleep>;

        spiflash@0 {
                compatible = "jedec,spi-nor";
                reg = <0>;

                /* May run faster once verified. */
                spi-max-frequency = <10000000>;
        };
};

 

참고

• SPI Subsystem -1- (Basic) | 문c – 현재 글
• SPI Subsystem -2- (Driver) | 문c

 

• Serial Peripheral Interface (SPI) | sparkfun
• Groking the Linux SPI Subsystem | Matt Porter – 다운로드 pdf
• https://github.com/jackmitch/libsoc (lib/spi.c) | jackmitch
• What’s going on with SPI? (2014) | Linaro – 다운로드 pdf