SPI（エスピーアイ）

2025年10月15日

SPI（エスピーアイ）

英語表記: SPI (Serial Peripheral Interface)

概要

SPI（Serial Peripheral Interface）は、主にマイクロコントローラ（マイコン）と各種の周辺LSI（センサー、メモリ、通信チップなど）を接続するために設計された、同期式のシリアル通信インターフェースです。このインターフェースは、組み込みシステム（組込み向けインターフェース）における近距離のデータ転送において、非常に高速かつシンプルな接続を実現します。たった数本の信号線で双方向の通信を可能にするため、コンピュータの構成要素の中でも特に「周辺機器とインターフェース」の分野、それも小型化や効率化が求められる組込み環境で欠かせない技術となっています。

詳細解説

SPIは、他の一般的なシリアル通信プロトコル（I2CやUARTなど）と比較して、特にその高速性と全二重通信能力が特徴的であり、組込みシステムの性能を支える重要な柱です。

目的と背景

SPIが生まれた背景には、マイコンが扱うデータ量が増加し、周辺機器との通信速度がボトルネックになり始めたという課題があります。並列通信（パラレルインターフェース）は高速ですが、配線数が増えてしまい、小型化やコスト削減の妨げになります。そこで、配線数を最小限に抑えつつ、高いデータ転送速度を維持するために開発されたのがSPIです。これは、コンピュータの構成要素間の接続を効率化する、組込み向けインターフェースの進化の歴史において、非常に重要なマイルストーンだったと言えるでしょう。

動作原理：マスターとスレーブ

SPI通信は、必ず「マスター」（主導権を持つデバイス、通常はマイコン）と「スレーブ」（マスターに制御されるデバイス、周辺チップ）の構造をとります。マスターが通信のタイミング（クロック）を生成し、スレーブはそのタイミングに従ってデータを送受信します。この一対多の接続形態が、組込みシステムで多くのセンサーやデバイスを一つのマイコンで管理する際に非常に便利なのです。

主要な4本の信号線

SPIインターフェースは、通常、以下の4本の信号線で構成されます。このシンプルさが組込み環境で愛される理由の一つだと私は感じています。

SCLK (Serial Clock):
- マスターが生成する通信のタイミング信号（クロック）です。
- データ転送の速度とタイミングを完全に制御します。これが同期式通信の核となります。
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信号線です。
MISO (Master In Slave Out):
- スレーブからマスターへデータを送信するための信号線です。
SS / CS (Slave Select / Chip Select):
- マスターが、接続されている複数のスレーブデバイスの中から、現在通信したい特定のデバイスを選択（有効化）するために使用する信号線です。通常、この線がLow（低電圧）になったスレーブのみが通信に参加します。

全二重通信の実現

MOSIとMISOが独立しているため、SPIはデータ送信とデータ受信を同時に行うことができる「全二重通信」を実現しています。これは、I2Cのような他のシリアル通信規格が、通常、半二重（送信と受信を同時に行えない）であることと比べると、非常に大きなメリットです。組込みシステムにおいて、リアルタイム性が求められる高速なデータ処理が必要な場合、この全二重通信能力は威力を発揮します。

階層との関連性

なぜSPIが「コンピュータの構成要素 → 周辺機器とインターフェース → 組込み向けインターフェース」の文脈で重要なのかを再確認しましょう。組込みシステムでは、消費電力、サイズ、そしてコストが厳しく問われます。SPIは、少ない配線数（4本）で済み、複雑なアドレス指定プロトコルを持たないため、ハードウェア実装が非常に容易です。周辺機器であるセンサーやメモリチップを、マイコンという構成要素に効率的かつ高速に接続するための、まさに理想的な「組込み向けインターフェース」なのです。複雑なプロトコル処理を省ける分、マイコン側の負担も軽く済みますから、設計者としては大変ありがたい存在です。

具体例・活用シーン

SPIは私たちの身の回りにある多くの電子機器の内部で活躍しています。特に、高速なデータアクセスやリアルタイム制御が求められる場所では、その姿を見ることができます。

具体的な活用例

フラッシュメモリ（EEPROMなど）の読み書き: 組込み機器の設定情報やファームウェアを保存するメモリチップとの高速なデータやり取りに利用されます。
A/Dコンバータ（アナログ/デジタル変換器）: センサーから取得したアナログ信号をデジタルデータに変換する際、変換結果をマイコンに高速で送るためにSPIが使われます。
液晶ディスプレイ（LCD）制御: 小型ディスプレイの表示データを高速で転送し、滑らかな画面更新を実現します。
無線通信モジュール: Wi-FiやBluetoothなどの通信チップとマイコン間のデータ連携に使用されます。

初心者向けの類推：電話会議の通訳者モデル

SPIの動作を理解するために、少し親しみやすいメタファーで考えてみましょう。

あなたは国際的な電話会議に参加しています。この会議の議長（マスター）がマイコンだと想像してください。そして、会議に参加している各国代表（スレーブ）が周辺機器だとします。

SCLK（クロック）: 議長は、発言のタイミングを統一するために、一定のリズムで手を叩きます（「はい、次の方どうぞ」「はい、送信完了」）。これがSCLKです。全員がこのリズムに従うため、情報が混乱しません。
SS/CS（チップセレクト）: 議長は、発言してほしい特定の参加者（スレーブ）を指名します。「佐藤さん、お願いします」と名前を呼ぶのがSS/CSです。指名された人だけがマイクをオンにします。
MOSI/MISO（データライン）: ここで重要なのが、通訳者です。
- 議長から参加者へ話すための専用通訳者（MOSI）がいます。
- 参加者から議長へ話すための専用通訳者（MISO）がいます。

この会議では、議長が発言している最中（MOSIでデータ送信中）であっても、指名された参加者は同時に議長に質問や報告を返すこと（MISOでデータ受信中）ができます。これがSPIの「全二重通信」の強みです。もしMOSIとMISOが一本の線だったら、議長が話し終わるまで参加者は待たなければなりません（半二重通信）。SPIは、まるで二人の通訳者が同時に働くことで、非常に効率的で迅速な情報交換を可能にしているのです。

この迅速なデータ交換能力こそが、組込みシステムのリアルタイム制御において、周辺機器とマイコンを円滑に連携させる鍵となっています。