基于FPGA的SPI接口设计-徐慧军

基于ISE的SPI接口的仿真设计一、SPI介绍SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOST和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。（1）MOSI–主设备数据输出，从设备数据输入（2）MISO–主设备数据输入，从设备数据输出（3）SCLK–时钟信号，由主设备产生（4）CS–从设备使能信号，由主设备控制其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。二、SPI工作模式SPI由工作方式的不同，可分为两种模式：主模式和从模式（1）主模式将Master的数据传送给Slave，8位数据传送，传送完毕，申请中断，如图所示：SPI工作主模式（2）从模式此时，从控制器从SIMO引脚接收串行数据并把数据移入自身移位寄存器的最低位或最高位。要注意的是，其是在主控制器输出时钟SCLK的控制下，在SCLK的上升沿或者下降沿读出一个数据输出给主设备。其传播模型如下图所示：SPI工作从模式须注意的是，主设备可以再在任意时刻起动数据发送，因为它控制着SCLK信号，而在从模式下，从控制器要发送数据，必须要用先设置片选信号以确保使能端CS输入允许。三、SPI传输模式SPI的工作模式分为主模式和从模式，二者都需要在SCK的作用下才能工作；但主模式不需要CS信号，而从模式必须在CS信号有效的情况下才能完成。不论是在主模式下还是在从模式下，都要在时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）的配合下才能有效地完成一次数据传输。其中，时钟极性表示时钟信号在空闲时的电平；时钟相位决定数据是在SCK的上升沿采样还是下降沿采样。根据时钟极性和时钟相位的不同组合，可以得到SPI总线的4种工作模式，如图所示：MISOCSSCLKMISOCSSCLKMOSIMOSISCLKSCLKSPI四种传输模式（1）SPI0模式下的CPOL为0，SCK的空闲电平为低；CPHA为0，数据在串行同步时钟的第一个跳变沿（由于CPOL为低，因此第1个跳变沿只能为上升沿）时数据被采样。（2）SPI1模式下的CPOL也为0，SCK的空闲电平为低；但是CPHA为1，数据在串行同步时钟的第二个跳变沿（由于CPOL为低，因此第2个跳变沿只能为下降沿）时数据被采样。（3）SPI2模式下的CPOL为1，SCK的空闲电平为高；CPHA为0，数据在串行同步时钟的第1个跳变沿（由于CPOL为高，因此第1个跳变沿只能为下降沿）时数据被采样。（4）SPI3模式下的CPOL为1，SCK的空闲电平为高；CPHA为1，数据在串行同步时钟的第2个跳变沿（由于CPOL为高，因此第1个跳变沿只能为上升沿）时数据被采样。在上述4种模式中，使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。由于每一种模式都与其他三种不兼容，因此为了完成主、从设备间的通讯，主、从设备的CPOL和CPHA必须有相同的设置。读者需要注意的是：如果主设备/从设备在SCK上升沿发送数据，则从设备/主设备最好在下降沿采样数据；如果主设备/从设备在SCK下降沿发送数据，则从设备/主设备最好在SCK上升沿采样数据。四、SPI协议SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的，但正因为没有确切的版本协议，不同厂家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法互联（需要用软件进行必要的额修改）。本次设计基于一种使用较为普遍的协议来进行设计，通过简单协议来理解并设计SPI接口功能。SPI协议是一个环形总线结构，其时序其实比较简单，主要是在时钟脉冲SCK的控制下，两个双向移位寄存器SPI数据寄存器数据进行数据交换。我们假设主机的8位寄存器SPIDATA1内的数据是10101010，而从机的8位寄存器SPIDATA2内的数据是01010101，在上升沿的时候发送数据，在下降沿的时候接收数据，最高位的数据先发送，主机和从机之间全双工通信，也就是说两个SPI接口同时发送和接收数据，如图所示。从图中我们也可以看到，SPIDATA移位寄存器总是将最高位的数据移出，接着将剩余的数据分别左移一位，然后将接收到得数据移入其最低位。CSMISOMOSISCLKSCLKMISOMOSICS1010101001010101MSBSPIDATA1LSBMSBLSBSPIDATA2如图所示，当第一个上升沿来的时候，SPIDATA1将最高位1移除，并将所有数据左移1位，这时MOSI线为高电平，而SPIDATA2将最高位0移出，并将所有数据左移1位，这样MISO线为低电平。然后当下降沿到来的时候，SPIDATA1将锁存MISO线上的电平，并将其移入其最低位，同样的，SPIDATA2将锁存MOSI线上的电平，并将其移入最低位。经过8个脉冲后，两个移位寄存器就实现了数据的交换，也就是完成了一次SPI的时序。五、仿真实现SPI时序图如下图所示：下图是基于Xilinx的Spartan-3E平台采用Verilog语言编译仿真后的SPI接口时序图：1010101010101010101010101010101010101010101010100011第一个上升沿第一个下降沿附录Verilog源代码如下所示：`timescale1ns/1ps////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////Company://Engineer:////CreateDate:00:34:3204/09/2013//DesignName://ModuleName:spi//ProjectName://TargetDevices://Toolversions://Description:////Dependencies:////Revision://Revision0.01-FileCreated//AdditionalComments:////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////modulespi(rst,clk,rd,wr,datain,spics,spiclk,spido,spidi,dataout);inputrst;//置位信号，低有效inputclk;//时钟信号inputrd;//接收数据命令inputwr;//发送数据命令inputspidi;//spi数据输入信号input[7:0]datain;//发送数据输入outputspics;//spi片选信号outputspiclk;//spi时钟信号outputspido;//spi数据输出信号output[7:0]dataout;//接收数据输出regspics;regspiclk;regspido;reg[7:0]dataout,dstate,dsend,dreceive;//cntreg[1:0]spistate;parameteridle=2'b00;parametersend_data=2'b01;parameterreceive_data=2'b10;initialbeginspics=1'b1;spiclk=1'b1;spido=1'b1;endalways@(posedgeclk)beginif(!rst)beginspistate=idle;spics=1'b1;spiclk=1'b1;spido=1'b1;dstate=8'd0;endelsebegincase(spistate)2'b00:beginif((wr==1'b0)&&(rd==1'b1))//发送数据转换beginspistate=send_data;dstate=8'd0;dsend=datain;endelseif((wr==1'b1)&&(rd==1'b0))//接收数据转换beginspistate=receive_data;dstate=8'd0;endelsebeginspistate=idle;dstate=8'd0;endend2'b01://发送数据状态begincase(dstate)8'd0://产生片选信号beginspics=1'b0;spiclk=1'b1;spido=1'b1;dstate=8'd1;end8'd1:beginspics=1'b0;spiclk=1'b1;spido=1'b1;dstate=8'd2;end8'd2:beginspics=1'b0;spiclk=1'b0;spido=1'b1;dstate=8'd3;end8'd3:beginspics=1'b0;spiclk=1'b1;spido=dsend[7];//发送数据最高位dstate=8'd4;end8'd4:beginspics=1'b0;spiclk=1'b0;spido=dsend[7];dstate=8'd5;end8'd5:beginspics=1'b0;spiclk=1'b1;spido=dsend[6];dstate=8'd6;end8'd6:beginspics=1'b0;spiclk=1'b0;spido=dsend[6];dstate=8'd7;end8'd7:beginspics=1'b0;spiclk=1'b1;spido=dsend[5];dstate=8'd8;end8'd8:beginspics=1'b0;spiclk=1'b0;spido=dsend[5];dstate=8'd9;end8'd9:beginspics