SPI 하드웨어 분석 — Clock Mode·MOSI/MISO·Chip Select

#한 줄 요약

“SPI는 클럭을 공유하는 가장 빠른 4선 시리얼입니다.” 누가 master인지 명확하고, 클럭이 있으니 100 MHz 이상도 가능합니다.

#어떤 상황에서 쓰나

• 외부 flash(W25Q, MX25 등) read/write
• TFT LCD나 ADC/DAC 같은 고속 주변기기
• SD card SPI 모드
• 보드 안 chip-to-chip 고속 데이터

#핵심 개념

#1) 4선 구성

송신·수신이 같은 클럭에서 동시에 이뤄지므로 full-duplex입니다. UART의 두 배 처리량을 같은 baud로 달성합니다.

#2) Mode 0 ~ 3 — CPOL/CPHA

가장 헷갈리는 부분입니다. 두 비트(CPOL, CPHA)로 4가지 모드를 만듭니다.

대부분의 디바이스는 Mode 0을 씁니다. 데이터시트의 timing diagram을 보고 CPOL/CPHA를 결정합니다.

#3) Multi-slave — CS vs Daisy-chain

여러 slave가 같은 SPI 버스에 붙을 때 두 가지 방식이 있습니다.

Daisy-chain은 CS 핀을 아낄 수 있지만, 모든 슬레이브가 동시에 응답해야 하고 read latency가 길어집니다.

#4) 클럭 속도 한계

SPI는 클럭 속도가 free입니다. 다만 신호 무결성이 한계를 정합니다.

50 MHz 이상은 LVDS 수준의 신호 무결성 설계가 필요합니다. 임피던스 매칭, 종단 저항, 그라운드 평면 모두 중요합니다.

#코드 / 실제 사용 예

SPI flash(W25Q32) ID 읽기 예제입니다.

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// SPI 초기화 — Mode 0, 10 MHz
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SPI1->CR1 = SPI_CR1_MSTR
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          | SPI_CR1_SSI | SPI_CR1_SSM
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          | (0b011 << SPI_CR1_BR_Pos)    // /8 → 10.5 MHz @84 MHz
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          | SPI_CR1_SPE;
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static uint8_t spi_xfer(uint8_t tx) {
8
    while (!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE));
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    SPI1->DR = tx;
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    while (!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE));
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    return SPI1->DR;
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}
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static void w25q_read_id(uint8_t id[3]) {
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    cs_low();
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    spi_xfer(0x9F);            // JEDEC ID
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    id[0] = spi_xfer(0);
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    id[1] = spi_xfer(0);
19
    id[2] = spi_xfer(0);
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    cs_high();
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}

DMA로 대량 read 시 IRQ 부하 없이 50 MB/s가 가능합니다.

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// DMA RX (read flash)
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DMA2_Stream0->PAR  = (uint32_t)&SPI1->DR;
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DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)rx_buf;
4
DMA2_Stream0->NDTR = len;
5
DMA2_Stream0->CR   = DMA_SxCR_MINC | DMA_SxCR_TCIE | DMA_SxCR_EN;
6
SPI1->CR2 |= SPI_CR2_RXDMAEN;

#측정 / 비교

#자주 보는 함정

⚠️ CPOL/CPHA 잘못 설정

가장 흔한 SPI 디버깅 원인입니다. logic analyzer로 SCK idle 상태와 첫 sample edge를 확인하면 모드를 식별할 수 있습니다.

⚠️ CS를 byte마다 토글

여러 byte를 한 transaction으로 처리해야 하는 명령(예: flash page write 256 byte)을 byte마다 CS를 올렸다 내리면 디바이스가 transaction 종료로 해석해 명령이 깨집니다.

⚠️ MISO 풀업/풀다운 누락

CS가 deassert 되었을 때 slave가 MISO를 high-Z로 띄우면 다른 slave와 충돌 시 떠 있는 라인이 됩니다. weak pull-up을 다는 것이 안전합니다.

⚠️ Bus 속도 데이터시트 무시

slave 데이터시트에 명시된 최대 SCK를 넘어서면 sporadic하게 read가 깨집니다. 처음에는 1 MHz로 동작 확인 후 단계적으로 올립니다.

⚠️ SCK idle 상태 글리치

마스터 SPI 모듈을 enable 하기 전에 SCK가 high(또는 low)로 안정되지 않으면 첫 byte가 어긋납니다. SPE 활성 순서를 데이터시트로 확인합니다.

#정리

• SPI는 4선(SCK, MOSI, MISO, CS) 동기 full-duplex입니다.
• CPOL/CPHA 4 모드 중 Mode 0이 가장 흔합니다. 데이터시트로 확인합니다.
• Multi-slave는 보통 CS line을 디바이스마다 분리합니다. Daisy-chain은 특수 경우입니다.
• 클럭은 무한대가 아닙니다. 50 MHz 이상은 PCB 설계 자체가 LVDS급 수준이어야 합니다.
• DMA를 쓰면 50 MB/s 이상의 throughput이 가능합니다.

다음 편에서는 I2C 하드웨어를 다룹니다. 두 선으로 여러 디바이스를 묶는 방법입니다.

#관련 항목

• 1-04: UART 하드웨어 동작
• 1-06: I2C 하드웨어
• 1-12: LVDS / 차동 신호 일반
• 더 깊이 — Embedded Performance Engineering: DMA throughput