創(chuàng)建主/從SPI接口的兩種方法詳談

最近，Digilent開源技術(shù)社區(qū)收到了兩個(gè)關(guān)于如何在Zynq SoC和Zynq UltraScale + MPSoC上實(shí)現(xiàn)SPI接口的問題。在回答了這些問題之后，我認(rèn)為有必要寫一篇如何實(shí)現(xiàn)SPI的文章，在此分享。

當(dāng)我們在設(shè)計(jì)中使用Zynq SoC或Zynq UltraScale + MPSoC時(shí)，可以有兩種方法來實(shí)現(xiàn)SPI接口：

1. 使用PS端的SPI控制器（PS端有兩個(gè)SPI控制器）

2. 在PL端使用配置成標(biāo)準(zhǔn)SPI通信的AXI Quad SPI （QSPI） IP模塊

?

我們可以根據(jù)應(yīng)用的要求來選擇使用哪種方法實(shí)現(xiàn)SPI控制器。兩種SPI的實(shí)現(xiàn)方式都支持四種SPI模式，并且都可以作為SPI主設(shè)備或SPI從設(shè)備。下表列出了它們之間的一些差異：

首先，我們演示一下如何使用PS端的SPI控制器進(jìn)行SPI傳輸。在Zynq MIO configuration選項(xiàng)卡中選中SPI控制器，這就將SPI包含在了設(shè)計(jì)中。在這個(gè)例子中，我將把SPI信號(hào)連接到Digilent ARTY Z7開發(fā)板的SPI接口，這需要通過PL I/O使用EMIO。

圖：啟用SPI并將端口映射到EMIO

在選擇好相應(yīng)的選項(xiàng)后，唯一要做的就是連接SPI端口的I/O。具體要如何進(jìn)行連接取決于我們是需要配置一個(gè)SPI主設(shè)備還是從設(shè)備。在SPI控制器上，每個(gè)SPI端口都有對應(yīng)的可用輸入（xxx_i）輸出端口（xxx_o）。端口的正確連接十分關(guān)鍵，如果連接錯(cuò)誤，當(dāng)運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，將得到完全錯(cuò)誤的運(yùn)行結(jié)果，這可能需要花費(fèi)我們幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間來尋找問題的源頭。另外，當(dāng)配置成SPI從設(shè)備時(shí)，有一個(gè)名稱為Slave Select的輸入；而當(dāng)用作SPI主設(shè)備時(shí)，將有三個(gè)選擇引腳。

當(dāng)正確配置好I/O并創(chuàng)建了工程，我們就可以使用應(yīng)用軟件中的SPI配置選項(xiàng)將SPI控制器配置成為主設(shè)備或從設(shè)備。使用PS SPI控制器配置和傳輸數(shù)據(jù)，需要使用由XSPIps.H定義的BSP（板卡支持包）所提供的API接口。在第一個(gè)例子中，我們將SPI控制器配置為SPI主設(shè)備。

默認(rèn)情況下，SPI使用8位傳輸。但是，我們也可以將傳輸配置成更大的16或32位。對于8位傳輸，我們在C程序中可以使用u8數(shù)據(jù)類型。對于16位或32位傳輸，分別使用16位或32位對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫緩存。

一開始，這可能會(huì)導(dǎo)致一些問題或生成編譯器警告，因?yàn)閳?zhí)行如下所示的兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸API函數(shù)都需要發(fā)送和接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)類型為u8：

s32 XSpiPs_Transfer（XSpiPs *InstancePtr， u8 *SendBufPtr， u8 *RecvBufPtr， u32 ByteCount）;

s32 XSpiPs_PolledTransfer（XSpiPs *InstancePtr， u8 *SendBufPtr， u8 *RecvBufPtr， u32 ByteCount）;

為了解決使用u16和u32數(shù)據(jù)類型的問題，我們需要將緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為u8指針，如下所示：

XSpiPs_PolledTransfer（&SpiInstance， （u8*）&TxBuffer， （u8*）&RxBuffer， 8）;

這樣設(shè)置將就使得我們能夠傳輸大小為8，16或32位的數(shù)據(jù)了。為了演示這一設(shè)置，我將SPI主設(shè)備IO連接到Digilent Digital Discovery口袋儀器來測試傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在應(yīng)用軟件中使用上述方法將數(shù)據(jù)寬度從8位變?yōu)?6位。

?

圖：Arty Z7開發(fā)板與Digital Discovery口袋儀器

圖：Zynq SoC PS SPI主設(shè)備發(fā)送四個(gè)8位字

圖：PS SPI主設(shè)備發(fā)送四個(gè)16位字

另一個(gè)實(shí)現(xiàn)SPI接口的方法是使用AXI QSPI IP核，使用這種方法需要在Vivado中進(jìn)行的設(shè)置比較多，需要花費(fèi)比較長的時(shí)間。在AXI QSPI配置對話框中，我們可以配置傳輸?shù)膶挾?、頻率和從設(shè)備的數(shù)量。最重要的一個(gè)選項(xiàng)就是選擇AXI QSPI IP核是作為SPI主設(shè)備還是從設(shè)備。如果要配置成SPI主設(shè)備，就必須選中enable master mode選項(xiàng)。如果要配置成為從設(shè)備，則必須取消該選項(xiàng)以確保SPISel輸入引腳的存在。當(dāng)SPI IP核作為從設(shè)備時(shí)，該引腳需要連接到主設(shè)備的slave select.端口。

圖：配置AXI Quad SPI