基于FPGA的SPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)

一、SPI協(xié)議

1、SPI協(xié)議概括

SPI（Serial Peripheral Interface）——串行外圍設(shè)備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。SPI是一種高速，全雙工，同步的通信總線，在芯片上只占用四根線（CS、MOSI、MISO、SCK），極大的節(jié)約了芯片的引腳。

2、SPI物理層

SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或者多個(gè)從設(shè)備。圖1是一個(gè)主設(shè)備一個(gè)從設(shè)備的物理連接示意圖。圖中SCK是由主設(shè)備發(fā)送給從的時(shí)鐘，該時(shí)鐘決定了主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的速率；MOSI是主設(shè)備發(fā)送給從設(shè)備的數(shù)據(jù)；MISO是從設(shè)備發(fā)送給主設(shè)備的數(shù)據(jù)；CS是片選信號(hào)，即只有片選信號(hào)為預(yù)先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)（高電平或者低電平）對(duì)此芯片的操作才有效。

圖1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

圖2 一主多從通信

3、SPI協(xié)議層

SPI通信是四線串行通信，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)摹＿@也即是SCK存在的意義，SCK提供通信所需的時(shí)鐘脈沖，MOSI和MISO則基于此時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過MOSI線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或者上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，至少在8次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上升沿和下降沿為一次），就可以實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的傳輸。

需要注意的是，SCK信號(hào)線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號(hào)線。同樣，在一個(gè)基于SPI的設(shè)備中，至少要有一個(gè)主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：此傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通串行通信不同，普通的串行通信一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)備通過對(duì)SCK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通信的控制。SPI協(xié)議還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換：因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要時(shí)改變和采集數(shù)據(jù)的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上升沿或下降沿采集有不同的定義。

SPI總線有四種工作方式（SPI0、SPI1、SPI2、SPI3），其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式。

ＳＰＩ模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對(duì)傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升沿或下降沿）數(shù)據(jù)被采集；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（上升沿或下降沿）數(shù)據(jù)被采集。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。

SPI時(shí)序圖詳解：SPI接口有四種不同的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序，取決于CPOL和CPHA的組合。圖3中給出了這四種時(shí)序，時(shí)序與CPOL和CPHA的關(guān)系也可以從圖中看出。

圖3 SPI四種時(shí)序

圖3中可以看出，CPOL是用來決定SCK時(shí)鐘信號(hào)空閑時(shí)的電平。CPOL=0，SCK空閑時(shí)為低電平；CPOL=1，SCK空閑時(shí)為高電平。CPHA是用來決定采樣輸入數(shù)據(jù)MISO時(shí)刻，CPHA = 0，在第一個(gè)SCK時(shí)鐘沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣；CPHA=1，在第二個(gè)SCK時(shí)鐘沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。（工作模式的確定：由SLAVE的工作模式確定MASTER的工作模式）。

二、SPI協(xié)議使用舉例

這里通過使用SPI3來實(shí)現(xiàn)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 SPI3 工作模式的主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

在SPI3模式下，CPOL = 1，CPHA = 1。SCK在空閑時(shí)為高電平，在SCK的第二個(gè)時(shí)鐘沿從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集（只考慮主機(jī)發(fā)送情況），在SCK的第一個(gè)時(shí)鐘沿發(fā)送數(shù)據(jù)MOSI。

三、使用verilog實(shí)現(xiàn)SPI3工作模式的時(shí)序

1、SPI3模式下工作過程如下圖所示，

圖5 SPI發(fā)送數(shù)據(jù)過程

接下來分析圖5所示SPI發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，首先在復(fù)位信號(hào)到來時(shí)，進(jìn)入s0狀態(tài)，在s0狀態(tài)計(jì)數(shù)器和分頻器模塊加載初始值，如果發(fā)送數(shù)據(jù)開始信號(hào)spi_start有效進(jìn)入s1狀態(tài)，s1狀態(tài)加載待發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)，分頻器開始工作，如果i=1，進(jìn)入s2狀態(tài)，s2狀態(tài)主要用來發(fā)送數(shù)據(jù)，如果i為偶數(shù)，進(jìn)入s3狀態(tài)，該狀態(tài)是用來采集數(shù)據(jù)，由于只考慮發(fā)送，因此此模塊不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，如果i=15，進(jìn)入s4狀態(tài)，否則如果i為奇數(shù)，則進(jìn)入s2狀態(tài)。；在s4狀態(tài)，發(fā)送最后一位數(shù)據(jù)，如果i=16，進(jìn)入s5狀態(tài)，此時(shí)整個(gè)SPI時(shí)序模擬完成。

2、數(shù)據(jù)路徑

由圖5可知，構(gòu)成SPI發(fā)送時(shí)序的基本電路塊包括計(jì)數(shù)器，移位寄存器和觸發(fā)器模塊。

圖6 數(shù)據(jù)路徑

圖6中，左移寄存器將8位的待發(fā)送的數(shù)據(jù)spi_data轉(zhuǎn)換為串行的數(shù)據(jù)mosi一位一位的發(fā)送出去，計(jì)數(shù)器用來計(jì)數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，觸發(fā)器用來產(chǎn)生分頻后的sck時(shí)鐘信號(hào)。

3、控制信號(hào)

圖7 控制信號(hào)

圖7中給出了各個(gè)狀態(tài)哪些控制信號(hào)應(yīng)該有效，參照?qǐng)D5圖6圖7可以理清spi整個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。

四、 verilog描述

接下來使用verilog來描述圖6所示的電路，控制信號(hào)可根據(jù)圖7進(jìn)行描述。

spi發(fā)送模塊（該模塊主要描述控制信號(hào)）：

module SPI_SEND(input clk_50m,

input rst_n,

input spi_start,

input[7:0] spi_data,

output reg spi_done,

output sck,

output reg cs,

output mosi

);

reg load_c;

reg en_c;

reg load_a;

reg en_a;

reg load_b;

reg en_b;

wire [4:0]i;

parameter [4:0] s0 = 'b000001;

parameter [4:0] s1 = 'b000010;

parameter [4:0] s2 = 'b000100;

parameter [4:0] s3 = 'b001000;

parameter [4:0] s4 = 'b010000;

parameter [4:0] s5 = 'b100000;

reg [5:0]current_state = 'd0;

reg [5:0]next_state = 'd0;

always @(posedge clk_50m or negedge rst_n)

if(!rst_n)

current_state <= s0;

else

current_state <= next_state;

always @(*)

case(current_state)

s0:begin

if(spi_start)

next_state = s1;

else

next_state = s0;

end

s1:begin/該狀態(tài)加載待發(fā)送的數(shù)據(jù)

if(i == 'd1)

next_state = s2;

else

next_state = s1;

end

s2:begin1,3,5,7,9,11,13,15

if(i[0] == 1'b0)//

next_state = s3;

else

next_state = s2;

end

s3:begin2,4,6,8,10,12,14,16

if(i == 'd15)

next_state = s4;

else if(i[0] == 'd1)

next_state = s2;

else

next_state = s3;

end

s4:begin

if(i == 'd16)

next_state = s5;

else

next_state = s4;

end

s5:begin

if(i == 'd0)

next_state = s0;

else

next_state = s5;

end

default:next_state = s0;

endcase

always @(*)

case(current_state)

s0:begin///空閑狀態(tài)

load_c = 'd1;

en_c = 'd0;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd1;

en_b = 'd0;

spi_done = 'd0;

cs = 'd1;

end

s1:begin加載待發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)

load_c = 'd0;

en_c = 'd1;

load_a = 'd1;

en_a = 'd0;

load_b = 'd0;

en_b = 'd1;

spi_done = 'd0;

cs = 'd0;

end

s2:begin第一個(gè)時(shí)鐘沿發(fā)送數(shù)據(jù)

load_c = 'd0;

en_c = 'd1;

load_a = 'd0;

en_a = 'd1;

load_b = 'd0;

en_b = 'd1;

spi_done = 'd0;

cs = 'd0;

end

s3:begin第二個(gè)時(shí)鐘沿采樣數(shù)據(jù)

load_c = 'd0;

en_c = 'd1;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd0;

en_b = 'd1;

spi_done = 'd0;

cs = 'd0;

end

s4:begin數(shù)據(jù)發(fā)送完畢

load_c = 'd0;

en_c = 'd1;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd0;

en_b = 'd0;

spi_done = 'd0;

cs = 'd0;

end

s5:begin

load_c = 'd0;

en_c = 'd0;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd0;

en_b = 'd0;

spi_done = 'd1;

cs = 'd1;

end

default:begin

load_c = 'd1;

en_c = 'd0;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd1;

en_b = 'd0;

spi_done = 'd0;

cs = 'd1;

end

endcase

// Instantiate the module

count_num count_num (

.clk_50m(clk_50m),

.load_c(load_c),

.en_c(en_c),

.count(i)

);

// Instantiate the module

left_shifter left_shifter (

.clk_50m(clk_50m),

.load_a(load_a),

.en_a(en_a),

.spi_data_in(spi_data),

.mosi(mosi)

);

// Instantiate the module

sck_generate sck_generate (

.clk_50m(clk_50m),

.load_b(load_b),

.en_b(en_b),

.sck(sck)

);

endmodule

計(jì)數(shù)器電路描述：

module count_num(input clk_50m,

input load_c,

input en_c,

output reg[4:0]count

);

always @(posedge clk_50m)

if(load_c)

count <= 'd0;?

else if(en_c)begin

if(count == 'd16)

count <= 'd0;

else

count <= count + 'd1;

end

else

count <= count;

endmodule

移位寄存器電路描述：

module left_shifter(input clk_50m,

input load_a,

input en_a,

input [7:0]spi_data_in,

output mosi

);

reg [7:0]data_reg;

always @(posedge clk_50m)

if(load_a)

data_reg <= spi_data_in;

else if(en_a)

data_reg <= {data_reg[6:0],1'b0};

else

data_reg <= data_reg;

assign mosi = data_reg[7];

endmodule

觸發(fā)器電路描述：

//SPI3模式下工作，SCK空閑時(shí)為高電平

//

module sck_generate(input clk_50m,

input load_b,

input en_b,

output reg sck

);

always @(posedge clk_50m)

if(load_b)

sck <= 'd1;

else if(en_b)

sck <= ~sck;

else

sck <= 'd1;

endmodule

仿真激勵(lì)文件：

module test;

// Inputs

reg clk_50m;

reg rst_n;

reg spi_start;

reg [7:0]spi_data;

// Outputs

wire spi_done;

wire sck;

wire cs;

wire mosi;

// Instantiate the Unit Under Test (UUT)

SPI_SEND uut (

.clk_50m(clk_50m),

.rst_n(rst_n),

.spi_start(spi_start),

.spi_done(spi_done),

.sck(sck),

.cs(cs),

.spi_data(spi_data),

.mosi(mosi)

);

initial begin

// Initialize Inputs

clk_50m = 0;

rst_n = 0;

spi_start = 0;

spi_data = 'd0;

// Wait 100 ns for global reset to finish

#100;

// Add stimulus here

end

always #5 clk_50m = ~clk_50m;

reg [4:0] count = 'd0;

always @(posedge clk_50m)

if(count == 'd20)

count <= 'd20;

else

count <= count + 'd1;

always @(posedge clk_50m)

if(count <= 'd10)

rst_n <= 'd0;

else

rst_n <= 'd1;

reg [9:0]cnt = 'd0;

always @(posedge clk_50m)

if(spi_done)

cnt <= 'd0;

else if(cnt == 'd500)

cnt <= 'd500;

else

cnt <= cnt + 'd1;

always @(posedge clk_50m)

if(cnt=='d499)begin

spi_start <= 'd1;

spi_data <= 'b10101010;

end

elsebegin

spi_start <= 'd0;

spi_data <= spi_data;

end

endmodule

使用ISIM仿真結(jié)果：

圖8 仿真結(jié)果

圖8中待發(fā)送的數(shù)據(jù)spi_data[7:0]=10101010，由于使用的是SPI3模式（CPOL=1，CPHA=1），此模式下SCK空閑時(shí)為1，在SCK第一個(gè)時(shí)鐘沿進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送（即圖中SCK下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送），從圖中波形可以看出 ，在cs為低時(shí)，mosi被一位一位的送出（高位先輸出）。

審核編輯 ：李倩