SPI

概要

SPI（Serial Peripheral Interface：エス・ピー・アイ）は、Motorolaが1980年代に開発した同期式フルデュプレックスシリアルバスです。SCK（クロック）、MOSI（マスター→スレーブデータ）、MISO（スレーブ→マスターデータ）、CS/SS（チップセレクト）の4本の信号線で構成されます。

I2Cと比べて高速（数MHz〜数百MHz）で、フルデュプレックス（同時送受信）が可能なため、TFTディスプレイ・NORフラッシュ・SDカード・DAC・ADC・無線モジュールなど、速度が求められる用途に広く使われます。

アドレス指定の仕組みを持たず、デバイスごとに独立したCSピンで選択する方式のため、接続デバイス数が増えるほどCSピンが必要になります。一方、プロトコルがシンプルで実装しやすく、マイコン側のペリフェラルサポートも充実しています。

歴史・背景

SPIはMotorola（現NXP）が1980年代に68000系マイコン向けに開発しました。当初は正式な規格書がなく、Motorolaのデータシートの説明が事実上の標準として普及しました。そのため、各社がやや異なる実装を行った歴史があり、クロック極性（CPOL）とクロック位相（CPHA）の組み合わせによる4つのモード定義につながっています。

2000年代以降、SDカード・各種無線モジュール・フラッシュメモリなどがSPIを採用したことで爆発的に普及しました。現代のマイコンはほぼ全機種がSPIペリフェラルを内蔵しており、DMA転送にも対応しています。

高速化への需要から、QSPI（Quad SPI：4本のデータ線）やOctal SPI（8本のデータ線）も登場し、フラッシュメモリとの接続では広く使われています。

技術仕様

信号線の構成

信号名	別名	方向	説明
SCK	SCLK, CLK	マスター→スレーブ	クロック信号
MOSI	SDO, DI, SDA	マスター→スレーブ	マスター送信データ
MISO	SDI, DO, SDO	スレーブ→マスター	スレーブ送信データ
CS	SS, CE, NSS	マスター→スレーブ	チップセレクト（Active Low）

SPIモード（CPOL/CPHA）

クロック極性（CPOL）とクロック位相（CPHA）の組み合わせで4つのモードがあります：

モード	CPOL	CPHA	アイドル時SCK	サンプリングエッジ
Mode 0	0	0	Low	立ち上がり
Mode 1	0	1	Low	立ち下がり
Mode 2	1	0	High	立ち下がり
Mode 3	1	1	High	立ち上がり

最も一般的なのはMode 0です。デバイスのデータシートで必ず確認します。

通信速度

標準的なマイコンSPI: 1〜50MHz
SDカード: 最大50MHz（SDモード）、25MHz（SPIモード）
高速フラッシュ（QSPIなど）: 数百MHz
STM32H7のSPIペリフェラル: 最大150MHz

マルチスレーブ接続

複数スレーブを接続する場合、各スレーブに独立したCSピンが必要です：

マスター
├─ SCK  ────── SCK(スレーブ1) ── SCK(スレーブ2)
├─ MOSI ────── MOSI(スレーブ1)── MOSI(スレーブ2)
├─ MISO ────── MISO(スレーブ1)── MISO(スレーブ2)
├─ CS1  ────── CS(スレーブ1)
└─ CS2  ────────────────────── CS(スレーブ2)

デイジーチェーン接続（MOSIとMISOをリング状に接続）も可能ですが、全デバイスが同じデータ幅を持つ場合に限られます。

動作原理

SPIの基本動作は以下の流れです：

マスターがCSをLowに引き下げ（スレーブ選択）
マスターがSCKでクロックを発生
MOSI（マスター→スレーブ）とMISO（スレーブ→マスター）が同時にビット転送
転送完了後、CSをHighに戻す

フルデュプレックスのため、送信と受信は常に同時に行われます。スレーブへの書き込みだけが目的でも、MISOにはダミーデータが返ってきます（多くの場合0x00や0xFF）。

// STM32 HALを使ったSPI通信例

// 単純な送受信（1バイト）
uint8_t tx_data = 0xAB;
uint8_t rx_data;

HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);  // CS Low（スレーブ選択）
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &tx_data, &rx_data, 1, HAL_MAX_DELAY);
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);    // CS High（選択解除）

// TFT液晶ディスプレイへのコマンド送信（ST7735例）
void lcd_write_cmd(uint8_t cmd) {
    HAL_GPIO_WritePin(DC_GPIO_Port, DC_Pin, GPIO_PIN_RESET);  // DC=Low（コマンド）
    HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &cmd, 1, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

void lcd_write_data(uint8_t *data, uint16_t len) {
    HAL_GPIO_WritePin(DC_GPIO_Port, DC_Pin, GPIO_PIN_SET);    // DC=High（データ）
    HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, data, len);                  // DMAで高速転送
    // 完了はDMA転送完了コールバックで確認
}

DMAを使った高速転送

大量データ（ディスプレイフレームバッファ、フラッシュ読み書きなど）にはDMAが必須です：

// DMAを使ったSPI送信（フレームバッファ転送）
uint8_t frame_buffer[320 * 240 * 2];  // 320x240, 16bpp

void lcd_flush_full(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, frame_buffer, sizeof(frame_buffer));
    // 転送完了はHAL_SPI_TxCpltCallbackで通知
}

void HAL_SPI_TxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
    HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    // 次のフレーム準備
}

用途・ユースケース

SPIが活躍する主な場面：

TFT/OLEDディスプレイ: ST7735・ILI9341・SSD1351など多くのディスプレイドライバICはSPI接続。フレームバッファのDMA転送で高いフレームレートを実現
フラッシュメモリ: SPIフラッシュ（W25Qシリーズなど）のプログラム記憶や外部ストレージ
SDカード: SDカードのSPIモードで低速だが簡易アクセス
無線モジュール: nRF24L01（2.4GHz RF）、RFM95（LoRa）などはSPIで制御
ADC: MCP3204（12ビット4ch ADC）などSPI接続の高精度ADC
IMU/センサー: MPU-9250、LSM6DS（高速サンプリングが必要な場合）
DAC: MCP4922（12ビット2ch DAC）など

実装・開発のポイント

CSピンの管理

CSピンはGPIOで手動制御するのが一般的です。マイコンによってはハードウェアCSが使えますが、送信バイト数の境界でのCS制御に制限がある場合があります：

// CS管理マクロ
#define CS_ASSERT()   HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define CS_DEASSERT() HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET)

// 複数バイトのトランザクション
CS_ASSERT();
HAL_SPI_Transmit(&hspi1, cmd_buf, cmd_len, 100);
HAL_SPI_Receive(&hspi1, rx_buf, rx_len, 100);
CS_DEASSERT();

クロック速度の注意

デバイスの最大SPI速度をデータシートで確認します。多くのセンサーは最大10〜20MHz程度ですが、フラッシュやディスプレイは数十MHzまで対応します。ケーブルが長い場合は速度を下げ、ノイズ対策としてFerrite beadや終端抵抗を検討します。

SPIバスの共有

複数デバイスが同じSPIバス（SCK/MOSI/MISO共有）を使う場合、CSピンで排他制御します。RTOSを使う場合はSPIバスのMutexによる排他制御が必要です：

// RTOSでのSPIバス排他制御
osMutexAcquire(spi_mutex, osWaitForever);
CS_ASSERT();
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, tx, rx, len, 100);
CS_DEASSERT();
osMutexRelease(spi_mutex);

QSPI/OctalSPIとの使い分け

通常のSPIが1本のデータ線（MOSI/MISO）を使うのに対し、QSPI（Quad SPI）は4本のデータ線を使い理論上4倍の帯域を実現します。STM32のQSPIペリフェラルは外部フラッシュをXIPモード（メモリ直接アクセス）でも利用できます。

他技術との比較

SPI vs I2C

項目	SPI	I2C
速度	数十〜数百MHz	最大3.4Mbps
配線数	4本+デバイス数分のCS	2本（全共有）
全二重	あり	なし
プロトコル	シンプル	ACK/アドレス管理が必要
用途	ディスプレイ・フラッシュ・高速センサー	低速センサー・EEPROM

SPI vs QSPI

通常のSPIは1ビット/クロックの転送ですが、QSPIは4ビット/クロック。外部フラッシュへのアクセス速度が大幅に向上します。ただし対応デバイスと専用ペリフェラルが必要です。

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