پروتکل SPI

I2C دو سیم می‌خواست و از آدرس برای تفکیک دستگاه‌ها استفاده می‌کرد؛ اما هر بیت آدرس و هر قفل‌وتشریفات پروتکل، سرعت را کم می‌کند. وقتی داده سنگین است — تصویر روی نمایشگر، خواندن کارت حافظه، فریم‌های ماژول RFID — سرعت مهم‌تر از صرفه‌جویی در سیم است. اینجا «گذرگاه SPI» (Serial Peripheral Interface) وارد می‌شود: چهار سیم، بدون آدرس روی خط و با سرعتی چند برابر I2C. کارت‌های SD، نمایشگرهای رنگی و ماژول‌های RFID مثل RC522 همه روی همین گذرگاه کار می‌کنند.

SPI چطور کار می‌کند؟

SPI چهار خط دارد:

چون خط آدرس وجود ندارد، تفکیک دستگاه‌ها با خط CS انجام می‌شود: هر اسلیو خط CS خودش را دارد. مستر CS یک دستگاه را LOW می‌کند، با آن حرف می‌زند و بعد HIGH؛ بقیه اسلیوها در همین مدت ساکت می‌مانند. پس «یک دستگاه = یک خط CS اضافه» و همین است که سیم‌کشی دستگاه‌های زیاد را پرهزینه‌تر از I2C می‌کند. در عوض دو خط داده مستقل دارید: ارسال و دریافت هم‌زمان — به این خاصیت «دوطرفهٔ کامل» (Full Duplex) می‌گویند.

پین‌های SPI روی Uno

کتابخانه SPI

کتابخانهٔ SPI همراه هسته است. توابع اصلی:

• SPI.begin() — فعال‌سازی سخت‌افزار SPI و پین‌های ثابت.
• SPI.transfer(byte) — یک بایت می‌فرستد و هم‌زمان بایت ورودی از اسلیو را برمی‌گرداند؛ در SPI ارسال و دریافت در یک عمل انجام می‌شود.
• SPI.beginTransaction(SPISettings(speed, order, mode)) و SPI.endTransaction() — تنظیم سرعت و حالت برای یک گفت‌وگوی تمیز و ایمن نسبت به وقفه‌ها.

دو پارامتر SPISettings را مختصر بشناسید: «سرعت کلاک» (تا ۸ مگاهرتز روی Uno) و «حالت» (Mode) که تعیین می‌کند لبهٔ کلاک و سیگنال داده با هم چه رابطه‌ای دارند. هر دیتاشیت اسلیو، حالت درست خودش را نوشته — مثلاً RC522 با حالت ۰ کار می‌کند — و کتابخانهٔ اختصاصی ماژول معمولاً این تنظیمات را خودش انجام می‌دهد؛ این درس به مفهوم بسنده می‌کند و رجیسترنویسی را به منابع رسمی می‌سپارد.

یک انتقال حداقلی

مثال زیر با یک دیجیتال پتانسیومتر MCP4131 کار می‌کند — قطعهٔ ارزان و رایج که مقاومتش را با دستور دیجیتال عوض می‌کنید (دیتاشیت Microchip: دستور 0x02 یعنی «بنویس» و بایت بعدی مقدار ۰ تا ۱۲۸ است):

#include <SPI.h>

const int CS_PIN = 10;

void setResistance(byte value) {
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);   // Select the chip
  SPI.transfer(0x02);          // Command: write to wiper
  SPI.transfer(value);         // Wiper position 0..128
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);  // Release the chip
}

void setup() {
  pinMode(CS_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);  // Keep the chip unselected at boot
  SPI.begin();
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Ready");
}

void loop() {
  setResistance(0);    // Minimum resistance
  delay(1000);
  setResistance(128);  // Maximum resistance
  delay(1000);
}

توضیح خط‌به‌خط:

1. digitalWrite(CS_PIN, LOW) دستگاه را بیدار می‌کند؛ همهٔ بایت‌های بعدی فقط برای او معنا دارند.
2. دو بار SPI.transfer پشت‌هم دو بایت فرمان را می‌فرستد؛ SPI نه پارامتر آدرس می‌خواهد نه بسته‌بندی — بایت‌ها به‌ترتیب می‌روند.
3. HIGHکردن CS پایان گفت‌وگو است؛ MCP4131 در همین لبه مقدار جدید را روی مقاومتش اعمال می‌کند.
4. الگوی «LOW، انتقال‌ها، HIGH» الگوی همیشگی هر تراکنش SPI است؛ در هر کتابخانهٔ SPI (کارت SD، RC522، نمایشگر TFT) دقیقاً همین را در زیر کلاه خواهید دید.

خروجی سریال مانیتور فقط پیام آماده‌باش است؛ خود عملکرد روی مقاومت مدار (مثلاً روشنایی یک LED متصل به وایپر) دیده می‌شود:

I2C یا SPI؟

قاعدهٔ عملی: دستگاه‌های کم‌داده و متعدد با I2C، دستگاه‌های پرحجم‌داده با SPI. خیلی از ماژول‌ها هر دو را دارند (DS3231 هم I2C دارد)؛ انتخاب با نقشهٔ پین‌های آزاد پروژه شماست.

اشتباهات رایج و عیب‌یابی

تمرین‌ها

#include <SPI.h>

const int CS_PIN = 10;

void setResistance(byte value) {
  digitalWrite(CS_PIN, LOW);
  SPI.transfer(0x02);
  SPI.transfer(value);
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
}

void setup() {
  pinMode(CS_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
  SPI.begin();
}

void loop() {
  for (int value = 0; value <= 128; value += 4) {
    setResistance(value);
    delay(20);
  }
  for (int value = 128; value >= 0; value -= 4) {
    setResistance(value);
    delay(20);
  }
}

:::

خلاصه

• SPI چهار خط دارد: MOSI و MISO برای داده، SCK برای ساعت و CS برای انتخاب دستگاه؛ مستر آردوینوست.
• پین‌های SPI روی Uno ثابت‌اند: D11 و D12 و D13 و D10 برای SS؛ SS حتی بی‌استفاده باید OUTPUT بماند.
• SPI.transfer ارسال و دریافت را هم‌زمان انجام می‌دهد و الگوی تراکنش همیشه «CS پایین، بایت‌ها، CS بالا» است.
• سرعت و mode در SPISettings تنظیم می‌شود و مقدار درستشان از دیتاشیت اسلیو می‌آید.
• I2C برای دستگاه‌های زیاد و کم‌داده، SPI برای داده‌های سنگین و سرعت بالا؛ جدول مقایسه راهنمای انتخاب است.

حالا هر دو گذرگاه اصلی را می‌شناسید؛ در درس بعدی از میکروکنترلرِ وسط برد سر در می‌آورید: حافظه‌ها، کلاک و معماری ATmega328P — و می‌بینید این گذرگاه‌ها روی چه زیربنایی سوارند.