주요 시리얼 통신 프로토콜 - 2. SPI (Serial Peripheral Interface)

2장: SPI (Serial Peripheral Interface)

SPI(Serial Peripheral Interface)는 동기식(Synchronous) 시리얼 통신 프로토콜 중 하나로, 빠른 데이터 전송 속도를 지원하는 간단한 마스터-슬레이브(Master-Slave) 구조를 가집니다.
UART와 달리 클럭 신호(Clock Signal)가 필요하며, 여러 개의 장치를 제어할 수 있지만 하드웨어적으로 많은 핀이 필요하다는 특징이 있습니다.

이번 장에서는 SPI의 개념과 특징, 데이터 전송 방식, 장점과 단점, 그리고 주요 활용 사례를 자세히 살펴보겠습니다.

---

1. SPI 개념과 특징

✅ SPI란?

SPI(Serial Peripheral Interface)는 마이크로컨트롤러(MCU)와 주변 장치 간의 빠른 데이터 통신을 위한 동기식 시리얼 프로토콜입니다.
SPI는 클럭 신호를 사용하여 데이터 전송을 동기화하므로, UART보다 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있습니다.

📌 SPI의 핵심 특징

• 동기식(Synchronous) 통신 → 클럭 신호(SCLK)를 사용하여 데이터를 전송
• Master-Slave 구조 → 하나의 마스터(Master) 장치가 여러 개의 슬레이브(Slave) 장치를 제어
• 빠른 전송 속도 → 일반적으로 수십 MHz(최대 수백 MHz)까지 지원
• 풀 이중(Full-Duplex) 통신 가능 → 데이터를 동시에 송수신 가능

📌 SPI는 LCD, OLED 디스플레이, SD 카드, 플래시 메모리, 센서 등에서 널리 사용됩니다.

---

2. 동기식 통신 방식 (클럭 필요)

SPI는 동기식 통신 방식이므로 마스터(Master) 장치가 슬레이브(Slave) 장치에 클럭 신호(SCLK)를 제공합니다.
즉, 마스터와 슬레이브가 같은 속도로 데이터를 주고받을 수 있도록 클럭을 기반으로 동기화된 데이터 전송이 이루어집니다.

📌 SPI에서 클럭(SCLK)은 마스터가 생성하며, 슬레이브는 이를 기반으로 동작합니다.

---

3. Master-Slave 구조 (MOSI, MISO, SCLK, SS 사용)

SPI는 마스터-슬레이브(Master-Slave) 구조를 사용하여 데이터를 전송합니다.
하나의 마스터가 여러 개의 슬레이브 장치를 제어할 수 있습니다.

✅ SPI에서 사용하는 핀

핀 이름	역할
MOSI (Master Out Slave In)	마스터 → 슬레이브 데이터 전송
MISO (Master In Slave Out)	슬레이브 → 마스터 데이터 전송
SCLK (Serial Clock)	마스터가 생성하는 클럭 신호
SS (Slave Select) 또는 CS (Chip Select)	특정 슬레이브를 선택하는 신호

📌 SS/CS 핀이 LOW(0)일 때만 해당 슬레이브가 활성화되어 통신 가능

🛠️ 예제: 마스터와 슬레이브 간 연결

[마스터] MOSI  ---->  MISO [슬레이브]
[마스터] MISO  <----  MOSI [슬레이브]
[마스터] SCLK  ---->  SCLK [슬레이브]
[마스터] SS(LOW) -->  SS [슬레이브]

📌 여러 개의 슬레이브를 제어하려면, 각각의 SS 핀을 개별적으로 설정해야 함.

---

4. 빠른 데이터 전송 속도 (MHz 단위 지원)

✅ SPI의 데이터 전송 속도

SPI는 매우 빠른 데이터 전송 속도를 지원하며, 일반적으로 1MHz~50MHz 이상의 속도를 사용합니다.
일부 고속 SPI 장치는 100MHz 이상의 속도를 지원하기도 합니다.

📌 UART(수십 Kbps~수 Mbps)와 비교하면 SPI는 훨씬 더 빠른 데이터 전송이 가능!

📌 SPI의 데이터 전송 방식

• 클럭(SCLK) 신호를 기준으로 데이터를 주고받음
• 풀 이중(Full-Duplex) 통신 지원 → 송신과 수신이 동시에 가능
• 지속적인 데이터 스트림 처리 가능 (Start/Stop Bit 필요 없음)

📌 SPI는 UART와 달리 Start Bit, Stop Bit이 필요 없고, 연속적인 데이터 전송이 가능하므로 효율적입니다.

---

5. SPI의 장점과 단점

✅ SPI의 장점

1. 매우 빠른 데이터 전송 속도 → MHz 단위의 고속 통신 가능
2. 하드웨어적으로 간단한 프로토콜 → 데이터 프레임이 단순
3. 풀 이중(Full-Duplex) 통신 가능 → 송신과 수신이 동시에 가능
4. 동기식 통신 방식 → 데이터 전송이 안정적이며 정확한 타이밍 보장

---

❌ SPI의 단점

1. 연결할 수 있는 장치 수 제한 → 슬레이브가 많아질수록 SS/CS 핀이 추가적으로 필요
2. 배선이 많음 → 최소 4개 핀 필요 (MOSI, MISO, SCLK, SS)
3. 멀티마스터 지원 어려움 → 보통 하나의 마스터만 사용 가능

📌 SPI는 빠르고 효율적이지만, 많은 핀이 필요하므로 확장성이 제한될 수 있습니다.

---

6. SPI의 사용 사례

SPI는 고속 데이터 전송이 필요한 환경에서 널리 사용됩니다.

🔹 고속 데이터 전송 (LCD, OLED 디스플레이)

• LCD, OLED 같은 디스플레이 장치는 고속 데이터 갱신이 필요하므로 SPI를 통해 데이터를 주고받습니다.
• 특히, TFT LCD, 터치 스크린 등은 SPI 인터페이스를 사용하여 빠른 화면 업데이트를 지원합니다.

📌 SPI는 높은 대역폭이 필요한 디스플레이 장치에 최적화되어 있음.

---

🔹 SD 카드 인터페이스

• SD 카드(Secure Digital)는 SPI 모드를 지원하며, MCU와 쉽게 연결 가능
• 파일을 읽고 쓰기 위해 SPI 통신을 활용하여 데이터 전송
• 일반적인 파일 저장 및 로깅 시스템(예: 데이터 로거, 임베디드 파일 시스템) 에 사용됨

📌 SPI는 SD 카드와 같은 대용량 저장 장치에서 데이터를 고속으로 읽고 쓸 때 사용됨.

---

🔹 플래시 메모리, 센서 통신

• EEPROM, NOR/NAND 플래시 메모리 등은 빠른 데이터 액세스를 위해 SPI를 사용
• MPU6050, BMP280 같은 센서도 SPI를 통해 빠르게 데이터를 송수신 가능

📌 SPI는 빠른 데이터 처리 속도가 필요한 센서 및 메모리 장치에 널리 사용됨.

---

📌 요약

✅ SPI는 동기식 시리얼 통신 방식으로, 클럭 신호를 사용하여 데이터를 동기화하여 전송
✅ Master-Slave 구조를 가지며, MOSI, MISO, SCLK, SS 핀을 사용하여 통신
✅ 매우 빠른 속도(MHz 단위)와 풀 이중(Full-Duplex) 통신을 지원
✅ 하드웨어가 간단하지만, 장치 수가 많아지면 SS 핀이 추가적으로 필요하여 확장성이 제한될 수 있음
✅ LCD, OLED 디스플레이, SD 카드, 플래시 메모리, 센서 등의 고속 데이터 전송에 사용됨

---