Шина SPI: четыре провода и ни секунды лишнего

Каскад из четырёх 74HC595 из урока про сдвиговый регистр жил у меня на shiftOut и был счастлив — пока я не прикинул анимацию на тысяче обновлений в секунду. Куб тогда не собрался, но арифметика вышла обидная: каждый байт выкатывался примерно за сто микросекунд, кадр из восьми байтов — за восемьсот, а весь бюджет кадра при тысяче кадров — те же тысяча микросекунд. Восемьдесят процентов процессора уходило на то, чтобы дёргать ногой вверх-вниз, и на кнопки с датчиками сил не оставалось. Внутри ATmega328P всё это время простаивал аппаратный блок SPI, делающий ту же работу в сотню раз быстрее, — его надо было просто включить.

Слово «шина» здесь не для красоты. В отличие от shiftOut, где каждый чип тянет свою пару пинов, SPI — общая дорога: одни и те же MOSI, MISO и SCK обслуживают и регистр, и матрицу, и SD-карту, а кого слушать, решает персональный CS. Поэтому урок про четыре линии — это ещё и урок про то, как потом подключить пятый и шестой чип, не найдя ни одного свободного пина.

Здесь и включим: четыре линии — MOSI, MISO, SCK и CS, их аппаратные пины на Uno, SPI.begin(), beginTransaction() с настройкой скорости и порядка битов, transfer() с его полнодуплексной натурой, когда байт уезжает и приезжает одновременно. Плюс честное сравнение с I2C и UART — какая шина для какой работы. О границах договоримся сразу: SPI-периферию симулятор не эмулирует, поэтому в sim-блоке логику сдвига покажут светодиод и Serial-лог, а настоящий скетч с SPI.h — в коде ниже, для живой платы.

Названия линий — честная стенография. MOSI — Master Out, Slave In: мастер, то есть наша плата, говорит, слейв слушает. MISO — зеркально: говорит слейв, слушает мастер. SCK — такт: импульсы генерирует всегда мастер, слейвы права тикать не имеют. CS (он же SS, Chip Select) — персональный провод каждого чипа: опустили в LOW — выбранный чип слушает шину, подняли — отвернулся и ни на что не реагирует.

На Uno эти четыре линии сидят на фиксированных пинах: MOSI — D11, MISO — D12, SCK — D13, SS — D10. Это не договорённость библиотеки, а периферия самого ATmega328P: перенести их на другие ноги нельзя, как нельзя вынести контакты USB-порта на заднюю стенку корпуса. Отсюда первое правило планировки макетки: под SPI места держат заранее, потому что пересадить шину поздно.

Полнодуплексность — то, что отличает SPI от знакомого по I2C полудуплекса. transfer() отправляет и принимает один и тот же кусок времени: пока по MOSI уезжают восемь бит, по MISO параллельно приезжают восемь чужих, и SPI.transfer(0x55) возвращает то, что слейв выдавил в ответ. Для чипов только на запись вроде 74HC595 линия MISO вообще не подключается — вернувшийся мусор просто выбрасывается. А для читающих чипов это главный канал: SD-карта отдаёт сектор именно так — вы в это же время шлёте ей нули-заполнители, чтобы дать такт. У I2C же одна линия SDA работает то на отправку, то на приём, и шина в каждый момент бежит либо туда, либо обратно.

Три вызова — и шина жива. SPI.begin() включает периферию и сажает пины на аппаратные функции. SPI.beginTransaction(SPISettings(8000000, MSBFIRST, SPI_MODE0)) описывает кадр: 8 000 000 герц такта — половина от кварца 16 МГц, больше на Uno физически не выжать; MSBFIRST — старший бит уезжает первым; SPI_MODE0 — самая ходовая комбинация полярности и фазы такта, по ней живут и 595, и MAX7219. Дальше пружина любого кадра: CS вниз, SPI.transfer(байт), CS вверх. endTransaction() снимает настройки — между транзакциями другие библиотеки могут пересадить шину под себя, и я пользуюсь этим, когда на одной шине соседствуют быстрая SD-карта и какой-нибудь чип на 250 килогерцах.

Любое число в SPISettings легально, но ядро округляет его вниз к ближайшему делителю кварца: набор фиксированный — 8, 4, 2 и 1 МГц, затем 500, 250 и 125 кГц. Восьмёрка попадает точно, а вот 6 000 000 молча уедет на четыре: не пугайтесь, если чип работает вдвое медленнее задуманного. Для пары светодиодных чипов вся эта математика безразлична — берите миллион и забудьте; для SD-карты или Ethernet-модуля разница между делителями уже не косметика.

Грабля, на которую я потратил вечер: пин D10 должен быть OUTPUT и в покое держать HIGH. Если CS окажется входом и поймает на земле ноль, аппаратура ATmega решит, что её назначили слейвом: MOSI самопроизвольно станет входом, и мастер замолчит при идеальном скетче. Симптом узнаётся мгновенно — шина мертва целиком, а перезагрузка ничего не меняет. Вторая история — провода: на такте 8 МГц макетные перемычки длиннее полуметра уже ловят звон, и биты доезжают битыми. Если схема расползлась — снижайте частоту: SPISettings(1000000, ...) для болтающихся проводов, 250 000 для совсем длинных линий. Чипы медленного такта не обижаются — скорость не гордость, а инструмент.

Теперь честное соседство. I2C выигрывает проводами: две линии тянут десятки чипов, у каждого адрес, и для дешёвых датчиков это идеал — но платит тактом. 400 килогерц быстрого режима против наших восьми миллионов — в двадцать раз медленнее, плюс подтяжки к питанию обязательны, о чём я подробно писал в уроке про два провода. UART — это основной порт, который вы видите в мониторе, и второй UART на SoftwareSerial: два провода без такта, обе стороны заранее договорились о бодах. Зато участников ровно двое — третий на линию не сядет. SPI берёт скоростью и глупостью чипа: никаких адресов и подтяжек, слейв может вообще не иметь кварца, — но каждому новому чипу нужен свой CS-провод от мастера. Мой расклад по умолчанию простой: датчики — I2C, разговор с компьютером — UART, всё, что шустрит и обновляется, — SPI.

Справедливости ради: shiftOut не мусор. На статичной индикации — пара чипов, светодиоды мигают раз в секунду — сотня микросекунд на байт ничего не стоит, а пины остаются свободными. Мой водораздел простой: статика — shiftOut, всё, что мультиплексируется, анимируется или делит шину с быстрым соседом, — SPI. А если захочется выжать из платы всё и без аппаратной периферии, прямой доступ к портам из урока про PORTB переписывает кадр быстрее transfer — ценой кода, который страшно показать непосвящённым. Замерять и то и другое лучше числом, а не ощущением: приёмы отсчёта времени разобраны в уроке про micros().

И ещё одна деталь, которую я понял только на замерах: скорость шины — это про свободный процессор, а не про глаза. Светодиод не различит кадр за две микросекунды и кадр за сто — различит ваш loop(), который в первом случае успевает опросить кнопку, прочитать датчик и пересчитать анимацию, а во втором стоит у стены и ждёт.