關(guān)于高性能主從模式動態(tài)可重構(gòu)的SPI IP核的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著集成電路設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，系統(tǒng)芯片(System-on-a-Chip，SoC)的集成度越來越高，從而對信號之間交流的要求也變高[1-2]。由于串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)總線協(xié)議具有全雙工模式、占用I/O端口少、協(xié)議靈活等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。

目前，SPI IP核已經(jīng)成為SoC的標(biāo)準(zhǔn)配置，相關(guān)人員也做了很多研究。例如，周雪榮等人面向AD9222設(shè)計(jì)的一款SPI模塊[5]，可以配置為主機(jī)模式且符合AD9222芯片的接口時(shí)序；汪永琳等人設(shè)計(jì)的SPI接口[6]，實(shí)現(xiàn)了SPI主從機(jī)之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸且滿足三線半全工工作方式；李大江等人基于FPGA的SPI總線設(shè)計(jì)[7]，分別設(shè)計(jì)了主機(jī)和從機(jī)。上述SPI設(shè)計(jì)可以適用于不同的應(yīng)用場合，但是在SoC中進(jìn)行通信時(shí)，不具有主從模式下動態(tài)可重構(gòu)的能力。因此，本文根據(jù)SPI總線協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種主從模式動態(tài)可重構(gòu)，支持四線全雙工，允許七種時(shí)鐘傳輸速率的SPI IP核，并對其邏輯資源消耗和功耗問題進(jìn)行了優(yōu)化。

1 SPI工作原理

SPI總線協(xié)議是由Motorola公司首先提出的，主要應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)中短程通信的同步串行通信接口規(guī)范[8]。SPI總線協(xié)議規(guī)定，它以主機(jī)或從機(jī)方式工作，主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸存在4種數(shù)據(jù)傳輸模式并由cpol(時(shí)鐘極性)和cpha(時(shí)鐘相位)來控制，如表1所示。當(dāng)cpol=0時(shí)，sclk的空閑電平為0；當(dāng)cpol=1時(shí)，sclk的空閑電平為1。當(dāng)cpha=0時(shí)，在空閑狀態(tài)到有效狀態(tài)邊沿采集數(shù)據(jù)；當(dāng)cpha=1時(shí)，在有效狀態(tài)到空閑狀態(tài)邊沿采集數(shù)據(jù)[9]。

在SoC中SPI IP核的傳統(tǒng)連接方式如圖1所示。通信過程中，SPI通過片上總線將CPU核傳輸?shù)牟⑿袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，與從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；并把從機(jī)傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，通過片上總線發(fā)送給CPU核[10]。對SPI從機(jī)來說，它會在被主機(jī)選中的情況下與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[11]。

2 SPI IP核設(shè)計(jì)

2.1 模塊劃分和接口定義

2.1.1 模塊劃分

根據(jù)SPI功能的不同，將所設(shè)計(jì)的SPI IP核劃分為如圖2所示的3個(gè)模塊：寄存器配置塊(Register Configuration Block，RCB)、數(shù)據(jù)傳輸塊(Data Transfer Block，DTB)和錯(cuò)誤中斷塊(Fault Interrupt Block，F(xiàn)IB)。RCB由CPU核對其進(jìn)行配置，如主從模式、時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位等；DTB根據(jù)配置的信息來進(jìn)行主從機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸；FIB在出現(xiàn)模式錯(cuò)誤(例如當(dāng)SPI配置為主機(jī)時(shí)，從機(jī)選擇端口被拉低)、讀寫沖突等問題時(shí)會向CPU核發(fā)出中斷請求。

2.1.2 端口定義

nwr和nrd分別是寫使能和讀使能端口；addr是地址端口；idata和odata分別是數(shù)據(jù)輸入和輸出端口。當(dāng)?shù)刂酚行r(shí)，數(shù)據(jù)輸入和輸出端口根據(jù)讀寫使能的配置來進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出操作。spen、mstr、cpol和cpha 4個(gè)端口依次是SPI使能端、主從機(jī)配置端、時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位端，使得對SPI IP核進(jìn)行配置更加直接和方便。

misoo、misotri和misoi 3個(gè)端口與一個(gè)三態(tài)緩沖器連接，以提供一個(gè)外部雙向端口miso，外部雙向端口mosi和sclk原理相同。這些雙向端口在有限狀態(tài)機(jī)模塊的控制下被配置為不同的傳輸方向，以此來解決主機(jī)模式和從機(jī)模式下數(shù)據(jù)傳輸端口傳輸方向相反的問題。miso在從機(jī)模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在主機(jī)模式下接收數(shù)據(jù)；mosi在主機(jī)模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在從機(jī)模式下接收數(shù)據(jù)；sclk在主機(jī)模式下發(fā)送時(shí)鐘，在從機(jī)模式下接收時(shí)鐘。同時(shí)，SPI IP核通過復(fù)用一個(gè)移位寄存器就可以完成主機(jī)和從機(jī)模式下的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了主從模式可配置的能力并節(jié)省了芯片面積。ssn是從機(jī)選擇端口，配置為從機(jī)時(shí)才使用，低電平有效。

int是中斷控制端口，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成或SPI被配置為主機(jī)而ssn(從機(jī)選擇)端口為低電平等情況時(shí)，F(xiàn)IB模塊就會產(chǎn)生中斷請求。

2.2 電路設(shè)計(jì)

2.2.1 SPI可重構(gòu)電路狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

SPI可重構(gòu)電路狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，如圖3所示。當(dāng)復(fù)位信號有效或者SPI使能端口spen被配置為低電平無效狀態(tài)時(shí)，可重構(gòu)電路狀態(tài)機(jī)就會處于空閑狀態(tài)。此時(shí)，可向主機(jī)模式或從機(jī)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

轉(zhuǎn)移為主機(jī)模式時(shí)，首先需要把mstr端口配置為1。然后，有兩種情況可以轉(zhuǎn)移到主機(jī)模式：(1)配置從機(jī)選擇端口無效位ssdis為高電平有效狀態(tài)；(2)配置ssn端口為高電平無效狀態(tài)。

轉(zhuǎn)移為從機(jī)模式時(shí)，首先需要把mstr配置為0。然后，有3種情況可以轉(zhuǎn)移到從機(jī)模式：(1)當(dāng)配置cpha為高電平時(shí)，并配置ssdis位為有效狀態(tài)，此種情況適用于只有一個(gè)從機(jī)下的數(shù)據(jù)傳輸；(2)當(dāng)配置cpha為高電平時(shí)，檢測到ssn端口為低電平；(3)當(dāng)配置cpha為低電平時(shí)，檢測到ssn端口的下降沿。

當(dāng)狀態(tài)機(jī)從空閑狀態(tài)已經(jīng)過渡到主機(jī)或者從機(jī)模式時(shí)，就會判斷數(shù)據(jù)的傳輸是否完成，當(dāng)傳輸未完成時(shí)，就會保持在當(dāng)前狀態(tài)；當(dāng)傳輸已完成時(shí)，就會轉(zhuǎn)移到空閑狀態(tài)。此外，當(dāng)前模式出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，也會轉(zhuǎn)移到空閑狀態(tài)。SPI可重構(gòu)電路狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可知，此SPI IP核可實(shí)現(xiàn)空閑狀態(tài)、主機(jī)模式和從機(jī)模式之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，具有在線動態(tài)可重構(gòu)的特性。

2.2.2 時(shí)鐘分頻

主機(jī)模式下的串行時(shí)鐘由7位計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器和D觸發(fā)器組成的時(shí)鐘分頻模塊產(chǎn)生，如圖4所示。

輸出時(shí)鐘sclko取決于CPU核對控制寄存器的配置，當(dāng)對控制器寄存器相應(yīng)的三位配置都為1時(shí)，sclko的值為cpol的值，不產(chǎn)生時(shí)鐘，其他情況均對時(shí)鐘有分頻作用。因此，此時(shí)鐘分頻模塊可對系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生7種分頻，如表2所示。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 仿真平臺搭建

為了方便驗(yàn)證此SPI IP核的正確性，設(shè)計(jì)了模擬CPU核功能的發(fā)送接收模塊、驗(yàn)證IP核（Verification IP，VIP）模塊和數(shù)據(jù)比較模塊等。發(fā)送接收模塊產(chǎn)生指令和數(shù)據(jù)對SPI IP核和VIP模塊進(jìn)行配置。配置完成后，SPI IP核和VIP模塊進(jìn)行主從機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸；傳輸完成后，發(fā)送接收模塊分別讀取SPI IP核和VIP模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。最后，比較模塊從CPU核讀取所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。仿真原理如圖5所示。

3.2 仿真及結(jié)果分析

最后，使用NC-Verilog對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主從模式下的仿真時(shí)序如圖6所示。首先，通過發(fā)送接收模塊對SPI IP核的控制寄存器依次寫入h’10和h’50（配置SPI為主機(jī)模式，SPI接口有效）。同時(shí)，配置VIP模塊為從機(jī)。然后，設(shè)置主機(jī)要發(fā)送的數(shù)據(jù)為h’aa，從機(jī)要發(fā)送的數(shù)據(jù)為h’55，在sclko（對clk時(shí)鐘2分頻）時(shí)鐘頻率下，主機(jī)的mosio（主機(jī)輸出，從機(jī)輸入）端口串行發(fā)送數(shù)據(jù)h’aa，misoi（主機(jī)輸入，從機(jī)輸出）端口串行接收數(shù)據(jù)h’55，傳輸完成后讀取狀態(tài)寄存器的值為h’80（傳輸完成），讀取數(shù)據(jù)寄存器的值為h’55（傳輸成功）。然后，對控制寄存器寫入h’40（配置SPI為從機(jī)，SPI接口有效）。同時(shí)，配置VIP模塊為主機(jī)，ssn（從機(jī)選擇端口）變?yōu)榈碗娖接行顟B(tài)。在sclki（對clk時(shí)鐘4分頻）時(shí)鐘頻率下，從機(jī)的miso（從機(jī)輸出，主機(jī)輸入）端口串行發(fā)送數(shù)據(jù)h’55，mosii（從機(jī)輸入，主機(jī)輸出）端口串行接收數(shù)據(jù)h’aa，傳輸完成后讀取狀態(tài)寄存器的值為h’80（傳輸完成），讀取數(shù)據(jù)寄存器的值為h’aa（傳輸成功）。

主機(jī)模式下不同時(shí)鐘速率下的數(shù)據(jù)傳輸如圖7所示。圖中給出了對clk時(shí)鐘2分頻時(shí)，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為h’aa，接收數(shù)據(jù)為h’55；對clk時(shí)鐘4分頻時(shí)，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為h’55，接收數(shù)據(jù)為h’aa；對clk時(shí)鐘8分頻時(shí)，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為h’aa，接收數(shù)據(jù)為h’55等情況下的數(shù)據(jù)傳輸情況。在不同分頻模式下，數(shù)據(jù)傳輸能正常傳輸且結(jié)果正確。

仿真結(jié)果表明：此SPI IP核符合SPI總線協(xié)議并且滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。綜合結(jié)果顯示：在0.13 μm工藝下消耗1 062個(gè)邏輯門，在系統(tǒng)工作頻率80 MHz下的功耗約為0.395 7 mW。

4 結(jié)論

本文根據(jù)SPI總線協(xié)議設(shè)計(jì)了一種高性能主從模式動態(tài)可重構(gòu)的SPI IP核，并對該IP核的模塊劃分、接口定義和可重構(gòu)電路狀態(tài)機(jī)等進(jìn)行了詳細(xì)描述。結(jié)果顯示，此設(shè)計(jì)符合SPI總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了7種時(shí)鐘分頻，支持4種數(shù)據(jù)傳輸模式；在保證功能和性能情況下，邏輯資源消耗更少、功耗更低。