SPI（エスピーアイ）

2025年10月14日

SPI（エスピーアイ）

英語表記: SPI (Serial Peripheral Interface)

概要

SPI（エスピーアイ）は、主にマイクロコントローラ（CPU）と周辺機器の間でデータをやり取りするために使用される、非常に一般的な同期式シリアル通信プロトコルの一つです。これは、コンピュータの構成要素における「バス構造」の中でも、特に「シリアル vs パラレル」という分類におけるシリアル通信の代表格として位置づけられます。少ない配線数で高速なデータ転送を実現できるため、基板上のスペースを節約したい場合に重宝される素晴らしい技術なのですよ。

詳細解説

SPIは、Serial Peripheral Interfaceの略であり、文字通り周辺機器（Peripheral）との間でシリアル（直列）にデータを送受信するための規格です。この技術は、コンピュータの構成要素が互いに連携し合う上で、データ転送の効率と物理的な実装コストのバランスを取るために生まれました。

シリアル通信としての役割

私たちが今扱っている「コンピュータの構成要素 → バス構造 → シリアル vs パラレル」という文脈で考えると、SPIの存在意義が明確になります。パラレル通信が多数のデータ線（例えば8本や16本）を同時に使って一度に大量のデータを送る方式であるのに対し、SPIが属するシリアル通信は、原則として1本のデータ線でビットを一つずつ順番に送ります。

なぜシリアル通信が重要なのでしょうか。それは、配線数を大幅に削減できるからです。パラレル通信は確かに高速ですが、配線が増えるほどノイズの影響を受けやすく、また、物理的なコネクタや基板上の配線スペースも大きくなってしまいます。特に小型化が求められる現代の電子機器において、SPIのようにわずか数本の信号線で高速通信が可能なシリアル方式は、非常に魅力的な選択肢となるわけです。

動作原理：マスター・スレーブ方式と同期式

SPIは、マスター・スレーブ方式を採用しています。通信を制御し、クロック信号を生成する側をマスター（Master）、マスターからの指示に従って動作する側をスレーブ（Slave）と呼びます。通常、CPUやマイクロコントローラがマスターとなり、センサーやメモリチップなどがスレーブとなります。

また、SPIは同期式通信である点が大きな特徴です。同期式とは、データ信号とは別に、タイミングを合わせるためのクロック信号（SCK）をマスター側が送信することを意味します。このクロック信号があるおかげで、マスターとスレーブは高い精度でタイミングを合わせることができ、結果として非常に高速で信頼性の高いデータ転送が可能になるのです。これは、バス構造における制御バスの機能の一部を、データ転送のタイミング制御に特化させている、と捉えることもできますね。

主要な4つの信号線

SPI通信を実現するために、通常、以下の4つの信号線が使用されます。

SCK (Serial Clock)：
- マスターが生成し、スレーブに送信するクロック信号です。この信号の立ち上がりや立ち下がり（エッジ）に合わせてデータが読み書きされます。同期式通信の心臓部と言えるでしょう。
MOSI (Master Out Slave In)：
- マスターからスレーブへデータを送信するためのデータ線です。マスターが出力（Out）し、スレーブが入力（In）する一方向のデータバスの役割を果たします。
MISO (Master In Slave Out)：
- スレーブからマスターへデータを返信するためのデータ線です。スレーブが出力（Out）し、マスターが入力（In）する一方向のデータバスの役割を果たします。
SS/CS (Slave Select / Chip Select)：
- マスターがどのスレーブと通信するかを選択するための信号線です。通常、この信号がLow（アクティブ）になったスレーブだけが通信に参加できます。複数のスレーブが接続されている場合でも、このSS線によって、アドレス指定のような役割を物理的に実現していると考えると分かりやすいです。

SPIは、これらの4本の線を使って、全二重通信（同時に送受信が可能）を比較的簡単に行えるのが大きな強みです。これは、コンピュータの構成要素間の情報交換を、非常に効率的に行うための洗練された仕組みなのです。

（文字数調整のため、詳細解説をさらに拡張します。）

データ転送の具体的な流れ

SPIにおけるデータのやり取りは、まるで「シフトレジスタ」と呼ばれる装置を直列につなげたようなイメージです。

マスターが1ビットのデータをMOSI線に出力し、同時にクロック信号（SCK）を1回発生させます。このクロックに合わせて、スレーブはそのビットを内部に取り込みます。このとき、同時にスレーブ側もMISO線を使ってマスターにデータを1ビット送信しています。

この「マスターからスレーブへ」と「スレーブからマスターへ」のデータ転送が同時に、クロックのタイミングに合わせて、まるで歯車のように噛み合いながら進行していくのがSPIの醍醐味です。例えば8ビットのデータを送りたい場合、マスターは8回のクロックを生成し、その間に送信と受信が同時に完了します。この仕組みのおかげで、待ち時間が少なく、非常に高速なデータ転送が可能になっているのです。

この転送効率の高さこそが、バス構造の設計においてSPIが重宝される理由であり、シリアル通信の利点を最大限に引き出している点だと言えるでしょう。

具体例・活用シーン

SPIは、そのシンプルさと高速性から、特に組み込みシステムやIoTデバイスのコンピュータの構成要素間で広く利用されています。

実際の応用例

フラッシュメモリやEEPROMとの接続: 大容量のデータを高速に保存・読み出しするために使われます。
各種センサーとの接続: 温度センサー、加速度センサー、ジャイロセンサーなど、データをリアルタイムでCPUに送る必要がある場合に使用されます。
SDカードインターフェース: マイクロコントローラでSDカードを読み書きする際にも、SPIモードが利用されることが多いです。

アナロジー：複数のレジがある高速道路の料金所

SPIの動作、特にマスター・スレーブ構造とSS/CS線の役割を理解するために、高速道路の料金所を想像してみてください。

料金所（マスター）には、複数のゲート（スレーブ、センサーやメモリチップ）が並んでいます。

SCK（クロック）: 料金所が「さあ、どうぞ！」と次に進む合図を出す係員の声です。全員がこの声に合わせて行動します。
MOSI/MISO（データ）: ドライバー（マスター）と料金収受員（スレーブ）の間で交わされる「料金」や「お釣り」の情報交換です。行き（MOSI）と帰り（MISO）のレーンは分かれていますが、同時に情報をやり取りできます。
SS/CS（チップセレクト）: 料金所側が、並んでいる複数のゲートの中から「あなた！」と指名する信号です。料金所は一度に一つのゲートだけを指名し（SS線をアクティブにし）、その指名されたゲートだけが情報のやり取りに参加します。他のゲートは指名されるまで静かに待機しています。

このように、マスターがクロックと選択信号を完全にコントロールすることで、配線数は少なくても、複数の周辺機器（スレーブ）を効率的かつ高速に管理できるのです。これは、シリアル vs パラレルという文脈で、シリアル通信がパラレル通信に劣らない柔軟性を持っていることを示す良い例だと考えられます。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者といった資格試験では、SPIそのものが詳細に出題されることは稀ですが、シリアル通信とパラレル通信の比較、およびバス構造の基礎知識として問われることがあります。

シリアル vs パラレル:
- SPIはシリアル通信の代表例であることを必ず覚えてください。シリアル通信のメリット（配線数が少ない、ノイズに強い、長距離伝送が容易）と、パラレル通信のメリット（単純な構造での超高速転送）を対比できるようにしておきましょう。
- この対比は、コンピュータの構成要素間のデータ転送方式の選択基準として重要です。
同期式通信の理解:
- SPIは同期式であり、クロック信号（SCK）を使ってタイミングを合わせる方式であることを理解してください。これは、非同期式（UARTなど、スタート/ストップビットでタイミングを合わせる方式）との違いとして出題されることがあります。
マスター・スレーブ構造:
- 通信の主導権を握るのがマスター、従うのがスレーブであるという役割分担を理解してください。SS（チップセレクト）線が、複数のスレーブから一つを選択する役割を担っている点も重要です。
関連技術との比較:
- SPIと並んでよく使われるシリアル通信プロトコルにI2C（アイ・スクエア・シー、またはIIC）があります。I2Cは2線式で、アドレス指定による通信を行いますが、SPIは4線式で、チップセレクトによる物理的な選択を行います。一般的に、SPIの方がI2Cよりも高速であるという特性を覚えておくと、応用情報技術者試験などで役立ちます。