FPGA接口小结

记录一下FPGA学习过程中学到的一些接口协议

一、SPI

SPI是 串行外设接口（Serial Peripheral Interface） 的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议

1.1 SPI协议

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）、SCLK（时钟）、CS（片选）。

（1）SDI – SerialData In,串行数据输入；
（2）SDO – SerialDataOut,串行数据输出；
（3）SCLK – Serial Clock,时钟信号，由主设备产生；
（4）CS – Chip Select,从设备使能信号，由主设备控制。

CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，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），主芯片对此从芯片的操作才有效。

SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线

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

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（全双工）

SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

1.2 SPI接口

SPI(Serial Peripheral Interface–串行外设接口)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。

该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线NSS。

SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、网络控制器、LCD显示驱动器、AD转换器，数字信号处理器、数字信号解码器等设备之间。

SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。

特点：信号线少，协议简单，相对数据速率高。

（1）MOSI – 主器件数据输出，从器件数据输入
（2）MISO – 主器件数据输入，从器件数据输出
（3）SCLK –时钟信号，由主器件产生,最大为fPCLK/2，从模式频率最大为fCPU/2
（4）NSS – 从器件使能信号，由主器件控制,有的IC会标注为CS(Chip select)

SPI接口主要优点：
　　●　支持全双工操作
　　●　操作简单
　　●　数据传输速率较高

SPI接口主要缺点：
　　●　需要占用主机较多的线（每个从机都需要一条片选线）
　　●　只支持单个主机
　　●　没有指定的流控制
　　●　没有应答机制确认是否接收到数据

二、UART

UART是通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

UART是单主单从的全双工通信协议，只有两台设备直接相连，其实UART也没有主从的区别，两台设备都可以接收数据和发送数据。在TX发送数据的同时，RX也可以接收数据，并且收发可以以不同的波特率收发数据。

常见的串行通信协议中，IIC是半双工多主多从通信协议，SPI是全双工的单主多从的通信协议。

UART和IIC与SPI最主要的却别在于，后两者是同步通信协议，主线上存在同步时钟线。而UART是异步串行通信协议

异步指的是发送端和接收端没有同步时钟线相连，发送端按某种速率恒定地发送数据，接收端也按照某种恒定的速率接收数据。所以接收端和发送端要按照相同的速率收发数据，否则数据就会乱掉。

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波特率

波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数，它是对码元传输速率的一种度量，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示，1波特即指每秒传输1个码元。在数字传输过程中码元是最基础的单位，如果每个码元只有两个状态，即0或1，则1码元和1bit相同，1波特率等于1比特率。常用的波特率有600，1200，2400，4800，9600，19200和38400，在UART中理解为时钟周期即可。

数据传输格式：

UART是异步通信，没有同步时钟，虽然可以通过相同的波特率来接收，但是收发模块内的波特率也会有相位差，那么就需要一个在传输数据中有start和stop标志来做波特率的同步，然后再在中间发送需要发送的数据。数据位可以为5，6，7，8，9位，常用的形式还是一个byte-8bit数据位。值得主义的是，UART协议中的数据位是LSB模式，即低位先发，高位后发，这与IIC与SPI是不同的，在编写代码的时候要注意。

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起始位、停止位

TX线在无数据传输的时候，始终为高电平，有数据要传的时候，把TX拉低，即产生了start标志，结束位为高电平。结束位和开始位都可以做同步指示，有些时候结束位可以为1.5或2个周期的高电平，可以更有效地做波特率同步，但会降低传输速率。

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校验位

数据位之后的1bit为校验位，校验位有五种模式：无校验、奇校验、偶校验、始终为0、始终为1。

奇偶校验是数据通信中常用的校验模式，可以简便地校验数据是否出错，但是只知道数据是否出错，却不能纠正数据。

奇校验指的是，加上校验位，共有奇数个1，偶校验指的是，加上校验位共有偶数个1。可以把所有数据位加起来，观察结果是奇数还是偶数来确定数据中1的个数，也可以用按位异或的方法快速判断。

具体的Verilog代码可见FPGA-UART串口发送数据