FPGA常用通信协议---SPI_fpga spi

前言

本文，参考几篇博客，总结一下个人对SPI的理解。文中的一些文字、图片等来源自参考的博客。在文后，附上参考的博客链接。本文重点介绍一下SPI的概念和传输协议，以及FPGA之间通过SPI进行数据传输的方案分析。代码和仿真本文就不做了。

SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟，AD转换器以及数字信号处理器和数字信号解码器之间。因此，在了解SPI协议后，可以阅读对应外设比如FLASH 的datasheet，加深理解。

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1、SPI概述

SPI（Serial Peripheral Interface）——串行外围设备接口。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟，AD转换器以及数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速，全双工，同步的通信总线，在芯片上只占用四根线（CS、MOSI、MISO、SCK），极大的节约了芯片的引脚。

SPI以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或者多个从设备。图1是一个主设备一个从设备的物理连接示意图。

图中SCK是由主设备发送给从的时钟，该时钟决定了主设备发送数据的速率；

MOSI是主设备发送给从设备的数据；

MISO是从设备发送给主设备的数据；

CS是片选信号，即只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电平或者低电平）对此芯片的操作才有效。

2、SPI通信协议

SPI通信协议：假设当前配置是SCK上升沿采样。IDLE状态没有时钟SCK。Master发送采样时钟SCK和数据MOSI，Slave在SCK上升沿采样MOSI的数据。同理，Master也是在SCK的上升沿采样MISO数据。

CPOL/CPHA及通讯模式 
SPI 一共有四种通讯模式，它们的主要区别是总线空闲时 SCK 的时钟状态以及数据采样时刻。为方便说明，在此引入“时钟极性 CPOL”和“时钟相位CPHA”的概念。 

时钟极性 CPOL :是指 SPI 通讯设备处于空闲状态时，SCK 信号线的电平信号(即 SPI 通讯开始前、 NSS 线为高电平时 SCK 的状态)。CPOL=0 时， SCK在空闲状态时为低电平，CPOL=1 时，则相反。

 
时钟相位 CPHA :是指数据的采样的时刻，当 CPHA=0 时，MOSI 或 MISO 数据线上的信号将会在 SCK 时钟线的“奇数边沿”被采样。当 CPHA=1 时，数据线在 SCK 的“偶数边沿”采样。 

由CPOL/CPHA的不同状态，SPI分为四种模式，实际中采用较多的是“模式 0”与“模式 3”。 

3、基于FPGA实现SPI通信

以实现上文SPI模式0的时序为例。

这里仅是 仿照 SPI的通信协议进行两片FPGA之间的通信。

架构设计：

下面是两个FPGA之间进行串行通信，两个FPGA之间可能通过线缆进行数据传输，线缆上信号延迟可能达到几十个ns。

tx：是发送模块，将并行数据data[7:0]转成串行数据MOSI，SCK是MOSI的采样时钟，SCK上升沿时、从机（rx）对MOSI进行数据采样；

rx：接收模块，在SCK的上升沿对MOSI进行数据采样，转换成并行数据data[7:0]，同时输出valid信号，指示当前data数据有效。

FIFO：该模块用于将rx模块送出的并行数据data进行跨时钟域转换。

FPGA_SLAVE向master发送数据MISO的时候，流程也是同样的，可以直接使用rx/tx模块。

tx模块发送时序说明，如下图所示。

可以使用一个快时钟，造SCLK信号，将并行data[7:0]数据转成串行数据MOSI。

a.在发送data期间，SCLK是以时钟脉冲的形式发送，即从机检查到SCLK的上升沿的时候，就开始进行数据采样、进行串并转换。在没有发数据的时候，SCLK为低电平。

也可以，将下图中的SS信号线的低电平，作为传输一个数据data[7:0]的标志。即SS低电平期间，当SCLK上升沿到来的时候，从机rx对MOSI进行数据采样。

b.也可以使SCLK时钟一直存在，通过SS信号来标识一次传输的data[7:0]数据。SCLK时钟一直存在的话，也方便接收模块进行串并转换、产生data[7:0]和valid信号。

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参考文献