【FPGA】：Axi quad spi

一、概述

       SPI是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，短距离的、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，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议

如下图所示，SPI接口一般使用4条线通信：

MISO 主设备数据输入，从设备数据输出。
MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入。
SCLK/SCK时钟信号，由主设备产生。
CS从设备片选信号，由主设备控制（CS,有时候又称为NSS）,低电平有效
起始信号：CS/NSS/SS由高电平变为低电平
终止信号：CS/NSS/SS由低电平变为高电平
SPI主要由主机进行控制，开始或者结束都由主机控制。Spi协议通常情况下先传输高位，然后再传输低位。
SPI主要特点有：可以同时发出和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。
SPI与多个设备通信情况如下图所示：通信时通过cs信号进行拉低，从而选择与那个设备进行通信。

二、时序说明

        SPI总线四种工作方式：SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。


不同时钟相位下的总线数据传输时序如下图所示：
主机和丛机工作模式需要匹配，否则会出错误，具体对应关系如下表所示：

SPI一帧可以传输8位或者16位，主要由SPI_CR1决定。
SPI在fpga中实现时，可以采用线性序列机(一个always计数器，一个always进行数据的发送)/状态机（通常采用一段式或者三段式）实现。

三、SPI的优势和缺点

（1）SPI通讯的优势
 全双工串行通信；
 高速数据传输速率。
 简单的软件配置；
 极其灵活的数据传输，不限于8位，它可以是任意大小的字；可以不用报头和报尾，只要cs拉低就开始信号的传输。
 非常简单的硬件结构。从站不需要唯一地址（与I2C不同）。从机使用主机时钟，不需要精密时钟振荡器/晶振（与UART不同）。不需要收发器（与CAN不同）。
 最先发送的为数据的高位
 靠cs信号拉低对应器件来区分是给那个器件传输信号。
 全双工同步传输，速度约有50Mbps，即约5.9MB/s
（2）SPI的缺点
 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）；
 通常仅支持一个主设备（通过将片选信号拉低，从而确定要通信的是那个元器件）；
 需要更多的引脚（与I2C不同）；
 没有定义硬件级别的错误检查协议；
 与RS-232和CAN总线相比，只能支持非常短的距离；
 Spi的可靠传输距离只有1~3m。

四、参考资料

Enable XIP Mode: XIP使能AXI4 和 AXI4-Lite（理解为AXI4的简化版本）接口，地址模式可以选择24bit和32bit；
Enable Performance Mode: 使能AXI4接口；使用AXI4接口可以在核的发送和接收FIFO地址处启用突发功能。当不使能performance模式时，AXI4-Lite将被使用。
Mode： standard（三线SPI，CS、CLK、SIO）/dual（四根线：CS、CLK、SIO1、SIO2）/quad（六根线：CS、CLK、SIO1、SIO2、SIO3、SIO3）
Transacton Width: 8/16/32。在双SPI和四SPI模式中，传输宽度被限制为8位。在XIP模式中，传输宽度在标准模式、双模式和四模式中被限制为8。
频率比率：2~2048， 代表了SPI的sck = ext_spi_clk/ratio ;
NO. of Slave: 代表了slave的个数；1~32；
Enable Master Mode： 主从模式选择，在标准模式下可以选择，其他模式只支持主模式
Enable FIFO： 使能fifo
Enable STARTUPEn Primitive: 勾选时在设计中包含STARTUP原语，未勾选时省略原语。7系列fpga采用STARTUPE2原语，UltraScale设备采用STARTUPE3原语。它在与外部SPI从设备共享SPI时钟时很有用。这个原语在设备的从属模式下总是被禁用的。
Enable Async Clock Mode: 只有当核心处于独立模式，且axis接口和外部SPI时钟在相位/极性和频率方面不同时，才启用此选项。该选项在IP集成商中被禁用。此参数根据连接到核心的时钟自动传播。如果AXI时钟和ext_spi_clk是同步的，该参数设置为0;如果是异步的，该参数设置为1。

五、参考资料

说明；DI输入，DO输出

1. 嵌入式–Flash操作中的标准SPI，Dual SPI，Quad SPI
2. 理解SPI/Dual SPI/Quad SPI/QPI之间的区别
3. 在外部DDR3内存中运行的MicroBlaze程序的固化方法
4. 弄懂SPI接口