SPIプロトコル

SPIプロトコルの紹介

シリアル ペリフェラル インターフェイス (SPI) は、主に組み込みシステムにおける短距離通信に使用される同期シリアル通信インターフェイス仕様です。

SPIデバイスは、通常単一のマスターデバイスによるマスタースレーブアーキテクチャを用いて全二重モードで通信します。マスター（コントローラ）デバイスは、読み取りおよび書き込み用のフレームを生成します。複数のスレーブデバイスは、個別のチップセレクト（CS）ライン（スレーブセレクト（SS）ラインと呼ばれることもあります）によって選択できます。

インタフェース

SPIバスは4つの論理信号を指定する

• SCLK: シリアルクロック（マスターからの出力）
• MOSI: マスター出力スレーブ入力（マスターからのデータ出力）
• MISO: マスター入力スレーブ出力（スレーブからのデータ出力）
• CS /SS : チップ/スレーブ選択（データが送信されていることを示すマスターからの出力）

マスターの MOSI はスレーブの MOSI に接続します。マスターの MISO はスレーブの MISO に接続します。

クロックの極性と位相

SPIには4つの動作モードがあり、それぞれが4つのクロック構成に対応しています。これらの構成は、クロック極性（CPOL）とクロック位相（CPHA）によって定義されます。

• モード0: データは、非反転クロック極性のクロックパルスの立ち上がりエッジでサンプリングされます（CPOL = 0、CPHA = 0）
• モード1: データは、非反転クロック極性のクロックパルスの立ち下がりエッジでサンプリングされます（CPOL = 0、CPHA = 1）
• モード2: データはクロック極性反転のクロックパルスの立ち下がりエッジでサンプリングされます (CPOL = 1、CPHA = 0)
• モード3: データはクロック極性反転のクロックパルスの立ち上がりエッジでサンプリングされます（CPOL = 1、CPHA = 1）

独立したスレーブ構成

独立スレーブ構成では、各スレーブに独立したチップセレクトラインが存在します。マスターは一度に1つのチップセレクトのみをアサートします。すべてのスレーブのMISOピンは相互に接続されているため、トライステートピン（ハイ、ロー、またはハイインピーダンス）である必要があります。スレーブが選択されていない場合は、ハイインピーダンス出力を適用する必要があります。

デイジーチェーン構成

SPI を実装する製品の中には、デイジー チェーン構成で接続され、最初のスレーブ出力が 2 番目のスレーブ入力に接続されるものがあります。各スレーブの SPI ポートは、最初のクロック パルス グループで受信したデータの正確なコピーを 2 番目のクロック パルス グループで送信するように設計されています。チェーン全体は通信シフト レジスタとして機能します。デイジー チェーンは、SPI を介して入力または出力のバンクを提供するために、シフト レジスタを使用して行われることがよくあります。各スレーブは、アクティブ ローの SS ラインがハイになるまで、次のクロック サイクルで入力を出力にコピーします。このような機能には、各スレーブに個別の SS ラインではなく、マスターからの単一の SS ラインのみが必要です。

Typhoon HILツールチェーンのSPIプロトコル

現在、Typhoon HIL の SPI スレーブ機能は、HIL デバイス (次の Typhoon HIL デバイスでサポートされています: HIL101、HIL404、HIL506、および HIL606 ) に直接実装されるか、ACE ボード( Automotive Communication Extender )を介して実装されます。

HILデバイス経由でSPIを使用する場合、SPIはGPIOコネクタを使用して実装されます。そのため、このプロトコルの使用は、このタイプのコネクタを備えたデバイスに限定されます。各HILデバイスモデルで利用可能なポートに関する情報は、各デバイスのハードウェアマニュアルの「一般仕様」セクションに記載されています。HILデバイスごとのGPIOコネクタのピン配置についても、「メカニカル」セクションに記載されています。

SPI を ACE ボード経由で使用する場合、HIL デバイスは Ethernet 接続を介して ACE ボードに接続しますが、SPI プロトコル自体は ACE ボード上の GPIO ピンを使用して実装されます( 「自動車用通信エクステンダー カードのピン配置」で説明) 。

ACE SPI セットアップ

ACE SPIセットアップコンポーネントを図1に示します。これは、車載通信エクステンダ（ACE）に搭載されているSPIコントローラの設定に使用されます。各ACEデバイスには4つのSPIコントローラが搭載されています。

SPIスレーブ

SPIスレーブコンポーネントは、SPIプロトコルのスレーブ部分を実装します。このコンポーネントは、 SPIプロトコルの概要で説明されているようにSPIスレーブの動作モードを設定し、レジスタマップとメッセージフレームを定義するために使用されます。

メッセージフレーム

これらのメッセージフレームは、ユーザーの要件に基づいて定義できるカスタマイズ可能な構造を持っています。この構造が機能するには、以下の要件を満たす必要があります。

• 書き込みフレームと読み取りフレームにはコマンドとアドレス部分が含まれている必要があります
• コマンド部分とアドレス部分の合計長さは8の倍数である必要があります
• 書き込みフレームと出力フレームにはレジスタデータフィールドが含まれている必要があります
• 書き込みフレームと読み取りフレームのコマンド部分とアドレス部分は同じビットから始まり、同じ長さでなければなりません。
• 出力フレームが次のメッセージで送信される場合、読み取りフレームと書き込みフレームのサイズは出力フレームのサイズ以上である必要があります。
• 出力フレームの最初の部分の開始ビットは、読み取りフレームの合計サイズと等しくなければなりません。
• 各フレームの合計長さは8の倍数でなければなりません

レジスターマップ

レジスタマップは、スレーブデバイス上のレジスタのリスト、アドレス、タイプ、長さ、エンディアンを定義します。これらのレジスタは、SPIスレーブコンポーネントの入力と出力を定義します。

レジスタへのアクセス

レジスタデータには、ユーザー定義のレジスタアドレス、またはレジスタの各バイトごとに生成されたアドレスを使用してアクセスできます。これらのアドレスは、ユーザー定義のレジスタアドレスに基づいて1バイト単位で自動的に生成されます。図4にその例を示します。

レジスタ間の相互作用

ユーザー定義レジスタはC言語の配列としてメモリに格納され、その順序は定義順序と同じになります（レジスタアドレスは順序に影響を与えません）。これにより、1回の書き込みまたは読み出しコマンドで複数のレジスタのデータにアクセスできるようになります。

例えば、レジスタが図4のように定義されている場合、アドレス0x10で2バイトのデータを要求する読み取りフレームを送信できます。応答にはレジスタ2と3のデータが含まれます。

SPIリセット

シミュレーション実行中にリセット入力に0以外の値を入力すると、SPIスレーブアプリケーションを無効化できます。これによりアプリケーションはリセットされ、リセット入力で0が検出されるまで無効化された状態を維持します。SPIスレーブアプリケーションをリセットすると、アクティブなSPIステータスコードがすべてクリアされます。

SPIステータス

SPIステータス出力は、潜在的なエラーのトラブルシューティングに役立つSPIステータスの監視に使用されます。表3に、発生する可能性のあるエラーコードとその説明を示します。各エラーには、エラーコードの状態を表す専用のビット値が割り当てられています。

SPIスレーブの例

この例では、SCADA入力を使用して入力レジスタの値を設定し、プローブを使用して出力レジスタの値を読み取ります。SPIスレーブコンポーネントは、次の図に示すように構成されています。

メッセージ構造の定義を図5に示します。

レジスタの定義を図 6に示します。

メッセージフレームのタイミング図

指定されたメッセージ構造のタイミング図は次のとおりです。

• フレームを書き込む

  

• 出力フレームと同じメッセージ内の読み取りフレーム

  

• 新しいメッセージの出力フレーム

  

参考文献

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface