SPI OLED 128x64: быстрее, но больше проводов

Плавный график с ползущей развёрткой я так и не добил на I2C. Кадр — 1024 байта, на стандартных ста килогерцах шины он идёт около 92 мс, и даже после разгона до 400 кГц оставшиеся 23 мс на кадр давали максимум пару десятков обновлений в секунду. Для цифр хватает, для движущейся развёртки — нет: глаз честно видел слайд-шоу с дрожью. Хуже того, на тех же A4 и A5 висели часы DS3231, и во время передачи кадра их опрос вжимался в паузы между кадрами и начинал глохнуть.

Выход оказался скучным и старым как мир: убрать кадр с I2C. У SSD1306, кроме двухпроводной шины, есть режим SPI — последовательный интерфейс без адресов и подтверждений, где библиотека Adafruit крутит линию данных на 8 МГц. Восемь мегабит в секунду против четырёхсот тысяч у разогнанного I2C — разница в двадцать раз ещё до всякой оптимизации кода.

В этом уроке — цена перехода и сама процедура: семь проводов вместо четырёх, три новых пина управления, конструктор, в котором &Wire меняется на &SPI, и честный список случаев, когда эти три лишних провода окупаются, а когда они остаются просто проводами. Схема четырёхпроводного I2C-варианта уже разобрана в уроке про подключение по I2C — полезно держать её перед глазами, чтобы видеть, что именно меняется.

Провода данных едут на аппаратные пины SPI: MOSI — на D11, SCK — на D13 у Uno и Nano. Эти два пина не выбираются: кремний платы жёстко привязал их к периферии, и переназначить их, как это делали с пинами программной шины, здесь не выйдет. DC, CS и RESET — линии управления, их вешают на любые свободные цифровые пины; в моих схемах это D9, D8 и D10.

Роли у новых линий простые. DC сообщает контроллеру, что летит по линии данных: ноль — команда настройки, единица — байт картинки; на I2C эту работу делал служебный байт перед каждой посылкой, на SPI для неё выделили отдельный провод. CS выбирает слейв: адресов на SPI нет, кто услышал строб по своей CS, тот и отвечает. RESET дёргает контроллер при старте, но его можно не тянуть: минус единица в конструкторе ставит сброс общим с платой, и модуль просыпается вместе с Arduino. Я обычно пишу -1 и экономлю провод; в чужих примерах RST заведён на пин — если скетч с чужой разводкой молчит, сверьте аргументы конструктора с реальной схемой.

Пара неочевидных следствий. SCK сидит на D13 — там же, где встроенный светодиод платы: при активной передаче он подмигивает, и это бесплатный индикатор жизни шины, а не глюк. И второе: SCK с MOSI общие для всех устройств шины — к тем же D11 и D13 можно посадить SD-карту или второй экран, каждому свой CS. Семь проводов — цена входа, а не цена каждого устройства: четвёртый и пятый модуль добавят по одному проводу выбора.

Код меняется ровно в одном месте — в конструкторе. Было Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1); стало Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &SPI, 9, 8, 10); — шина, затем пин DC, пин RESET, пин CS. begin() для SPI адреса не требует: слейва выбирает CS, а не адресный байт, поэтому достаточно begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC). Всё остальное — clearDisplay, setTextSize, print, display() — без единого изменения: конвейер кадра из урока про буфер и display() остаётся тем же до байта.

Арифметика победы: кадр — 8192 бита, на скорости 8 МГц это около миллисекунды чистой передачи. Против 92 мс у I2C на 100 кГц и 23 мс на 400 кГц. Даже с надбавкой за служебные посылки между командами провод отдаёт кадр в девяносто раз быстрее стандартного I2C — вот куда уходит слайд-шоу из первой истории.

Условие, о котором честно: миллисекунда — это только провод. На Uno следующим ограничителем становится не шина, а отрисовка в буфер и сам скетч: пока процессор рисует зоны, кадр никуда не едет. Поэтому в живых интерфейсах SPI даёт не тысячи кадров, а десятки — их глазу хватает с запасом; куда именно упирается ваш скетч, покажет замер из следующего урока. Есть и второй подарок: на I2C display() стоит блокирующей паузой, девяносто миллисекунд шина глотает кадр, и опрос кнопки, зажатый после него, отзывается с запозданием. SPI-посылка живёт миллисекунду, и цикл остаётся отзывчивым даже при частых кадрах.

Моё правило по умолчанию: дашборд с цифрами и текстом живёт на I2C. Обновление раз в 100–250 мс — это 4–10 кадров в секунду, шине такие темпы доступны даже без разгона, а четыре провода и свобода D9–D13 стоят дороже скорости, которую глаз всё равно не увидит. Если экран один на шине и показывает температуру раз в секунду — SPI я не беру, и вы не берите. Граница у меня проходит так: если экран обновляется реже пяти раз в секунду и соседей на шине нет, SPI не нужен даже в проектах с претензией на скорость.

SPI появляется по двум причинам, и обе проверяемы числами. Первая — темп: анимация, осциллограф, игра, ползущая развёртка — всё, где нужно больше 15–20 кадров в секунду; на 400 кГц I2C балансирует на границе, SPI проходит её с запасом. Вторая — соседи: если на A4 и A5 уже сидят RTC, датчики и второй дисплей, кадр OLED выжимает из шины почти всё время между их опросами, и увод экрана на SPI освобождает I2C целиком. Про совместную жизнь устройств на двух проводах говорили в уроке про I2C, про дисциплину цветных проводов на макетке — в разборе перемычек.

Что SPI не даёт: экономии памяти. Буфер кадра — те же 1024 байта в ОЗУ платы при любой шине, половина SRAM Uno уходит и с I2C, и с SPI. И на батарейном узле шина не главный расход: пиксели едят ток независимо от того, как быстро до них добрались байты, экономия заряда достигается гашением экрана в простое, о чём шла речь в уроке про графику. Честный выигрыш SPI в другом: процессор освобождается сразу после display() и успевает делать настоящую работу — тайминги которой держатся на millis вместо delay.

Теперь у раздела есть обе шины: I2C для спокойных дашбордов и SPI для быстрых экранов и занятых шин. Следующий шаг — числа: соберём один скетч-замерщик FPS и прогоним его через обе шины, чтобы спор «I2C против SPI» решать цифрами со своего стенда, а не чужими мнениями с чужих плат.

Домашнее задание: посчитайте пины своего модуля — четыре или семь. Если семь, соберите SPI-версию каркаса из урока, подставив свои пины DC, RESET и CS, и добейтесь тестовых строк на экране; при каждом кадре светодиод на D13 будет подмигивать — так сигналит ваша новая шина. Сравните скорость на глаз с I2C-версией того же каркаса: на статичном экране разницы вы не увидите, и это полезный замер сам по себе — SPI покупают под темп, а не под текст.