基于SPI实现stm32与fpga通信（一）_stm32 与 fpga 的 通讯方式

spi通信模式

SPI通信协议有以下4种模式：

1. 模式0：时钟极性为0，时钟相位为0，数据在时钟下降沿捕获，数据在时钟上升沿改变。

2. 模式1：时钟极性为0，时钟相位为1，数据在时钟上升沿捕获，数据在时钟下降沿改变。

3. 模式2：时钟极性为1，时钟相位为0，数据在时钟上升沿捕获，数据在时钟下降沿改变。

4. 模式3：时钟极性为1，时钟相位为1，数据在时钟下降沿捕获，数据在时钟上升沿改变。

不同模式的区别在于时钟极性和相位，不同的设备在进行SPI通信时需要根据其支持的模式来进行设置。

stm32、fpga spi通信方案

STM32和FPGA之间可以使用多种通信方式进行通信，例如SPI、I2C、UART、USB等。其中，SPI是一种常用的通信方式，可以实现高速数据传输。以下是基于SPI通信的STM32与FPGA通信步骤：

1. 确定通信协议：确定通信协议，包括数据传输方式、数据帧格式、时序等。

2. 连接硬件接口：将STM32和FPGA之间的硬件接口连接起来，例如将STM32的SPI接口与FPGA的SPI接口连接。

3. 配置STM32和FPGA：通过编程配置STM32和FPGA的通信参数，例如时钟频率、数据位数、校验方式等。

4. 开始通信：通过STM32发送数据到FPGA，或者从FPGA发送数据到STM32。

5. 处理数据：在STM32或FPGA中对接收到的数据进行处理，例如进行数据分析、转换等。

6. 关闭通信：通信完成后，关闭STM32和FPGA之间的通信连接。

需要注意的是，STM32和FPGA之间的通信需要进行一定的硬件和软件的开发工作，具体实现方式需要根据实际需求进行设计和开发。

spi数据格式

主从SPI通信的帧格式和时序如下：

        1.帧格式：

在SPI通信中，每一次数据交换都需要一个帧格式。

主机发送帧格式（8位数据）：

从机响应帧格式（8位数据）：

SPI通信的帧格式通常由命令字、地址、数据等部分组成。针对FPGA作为从机的场景，以下是一种常见的帧格式：

• 命令字：表示数据传输的类型，如读写等。
• 地址：表示FPGA中需要读写的寄存器地址。
• 数据：表示要读写的数据，长度可变。

        2.时序：

SPI通信的时序通常由时钟、数据输入、数据输出等信号组成。

• SCK：时钟信号，由主机控制，用于同步数据传输。
• MOSI：主机到从机的数据信号，数据由主机发出。
• MISO：从机到主机的数据信号，数据由从机发出。
• SS：片选信号，用于选择从机。

主机通过SPI总线与从机进行通信，其时序如下：

（1）选中从机

主机通过片选信号（CS）将需要通信的从机选中，从而与其建立通信。CS信号一般为低电平有效。在通信开始和结束后需将CS信号拉高。

（2）时钟相关

主机通过时钟信号（SCK）控制时序，SCK的空闲状态一般为高电平。

（3）主机发送数据

在SCK信号的上升沿，主机发出一个字节的数据，并在下降沿读取从机响应的数据。在此期间，从机也发送了一个字节的数据。

（4）从机响应数据

从机接收主机发送的数据，并根据数据进行相应操作。从机在接收到主机数据后，也可以发送一个字节的数据给主机。

（5）时序结束

在完成数据传输后，主机将CS信号拉高，从而结束通信。

        3.传输模式

在SPI总线上，可以选择不同的传输模式：

（1）全双工传输：主机和从机同时发送和接收数据。

（2）半双工传输：主机和从机交替进行发送和接收数据，一次只能进行发送或接收操作。

（3）单向传输：主机向从机发送数据或从机向主机发送数据。

        4.示例程序

以下是一个简单的示例程序，演示了如何使用STM32作为主机与FPGA进行SPI通信。其中，FPGA的寄存器地址为0x01，要写入的数据为0xABCD。

#include "stm32f10x.h"
 
// 初始化SPI接口
void SPI2_Init()
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  SPI_InitTypeDef SPI_InitStruct;
 
  // 使能SPI2时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO | RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
 
  // 配置SPI引脚
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
 
  // 配置SPI参数
  SPI_InitStruct.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;
  SPI_InitStruct.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
  SPI_InitStruct.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
  SPI_InitStruct.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
  SPI_InitStruct.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
  SPI_InitStruct.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
  SPI_InitStruct.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
  SPI_InitStruct.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
  SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStruct);
 
  // 使能SPI接口
  SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}
 
// 发送数据到FPGA
void SPI_SendData(uint8_t cmd, uint32_t addr, uint8_t *data, uint8_t len)
{
  // 选择从机
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
 
  // 发送命令字
  SPI_I2S_SendData(SPI1, cmd);
 
  // 发送地址
  for (int i = 0; i < 4; i++)
    SPI_I2S_SendData(SPI1, (addr >> (24 - i * 8)) & 0xFF);
 
  // 发送数据
  for (int i = 0; i < len; i++)
    SPI_I2S_SendData(SPI1, data[i]);
 
  // 等待发送完成
  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_BSY) == SET)
    ;
 
  // 取消从机选择
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
 
int main(void)
{
  uint8_t data[] = {0xAB, 0xCD};
 
  // 初始化SPI接口
  SPI2_Init();
 
  // 发送数据到FPGA
  SPI_SendData(0x01, 0x00000001, data, 2);
 
  while (1)
    ;
 
  return 0;
}

注意，在实际使用中，需要根据具体的硬件平台、通信协议等情况进行相应的调整。

连接硬件接口

• SCK：时钟信号，stm32输出，fpga输入；
• MOSI：主机（Master）输出，从机（Slave）输入，stm32输出，fpga输入；
• MISO：主机（Master）输入，从机（Slave）输出，stm32输入，fpga输出；
• CS：片选信号，用于选择从机。

要连接STM32和FPGA，可以使用SPI接口进行通信。SPI接口包括四根信号线：SCK、MOSI、MISO和SS。其中，SCK是时钟信号，MOSI是主机发送数据到从机的信号线，MISO是从机发送数据到主机的信号线，SS是片选信号，用于选择从机设备。

在连接STM32和FPGA时，需要将SCK、MOSI、MISO和SS分别连接到对应的引脚上。具体的连接方式可以根据不同的硬件平台和开发板来确定，通常会在开发板上标注SPI接口的引脚编号。

FPGA作为从机，它的SPI接口的引脚需要根据具体的FPGA型号来确定，一般可以在FPGA的开发板手册中找到对应的信息。

需要注意的是，在连接SPI接口时，需要确保信号线的电平兼容性，即STM32和FPGA的信号电平要相同。如果有不同，需要考虑使用电平转换器等器件来实现。

配置STM32和FPGA

在SPI通信中，STM32作为主机，需要配置GPIO口和SPI外设，FPGA作为从机，需要将SPI接口引出到FPGA芯片的引脚上，并设置FPGA的SPI控制器。

下面是STM32和FPGA的配置步骤：

        1、STM32的配置：

a. 配置GPIO口：选择STM32的GPIO口，将其配置为SPI模式，以便与FPGA进行SPI通信。

b. 配置SPI外设：选择STM32的SPI外设，设置SPI时钟频率、数据位数、CPOL和CPHA等参数。在SPI模式下，STM32可以主动发送数据，还可以通过SPI中断或DMA方式接收FPGA发送的数据。

        2、FPGA的配置：

a. 引脚分配：将FPGA的SPI接口引出到FPGA芯片的引脚上，以便与STM32进行SPI通信。

b. SPI控制器配置：将FPGA的SPI控制器配置为从机模式，设置SPI时钟频率、数据位数、CPOL和CPHA等参数，以便与STM32进行SPI通信。

以上是大致的配置步骤，具体的实现要根据具体的芯片型号和开发环境而定。

 开始通信

SPI通信是通过主机（STM32）发出时钟信号来控制从机（FPGA）发送和接收数据的。通信开始前，需要进行以下操作：

需要注意的是，通信协议需要主从双方约定好，并按照该协议进行通信。在通信过程中，需要保证时序正确和数据的完整性，以确保通信的稳定和可靠。

 处理数据

在SPI通信中，STM32作为主机，需要与FPGA作为从机进行通信。FPGA可以通过配置SPI接口作为从机，在主机发起读写请求后，需要根据协议规定进行相应的数据处理，并将处理后的数据返回给主机。

具体来说，FPGA作为SPI从机，需要实现以下功能：

1. 接收主机发来的读写命令：在接收到主机发来的读写命令后，需要根据协议规定解析命令，并根据读写请求读取/写入相应的寄存器或存储器。

2. 处理读写数据：在接收到主机发来的读写数据后，需要对数据进行相应的处理，如校验、加密等操作。

3. 发送响应数据：在处理完读写数据后，需要将处理结果返回给主机，根据协议规定发送响应数据。

总的来说，在SPI通信中，FPGA作为从机需要实现SPI接口的相应协议，并根据协议规定进行数据处理和发送响应数据，以完成与主机的通信。

在SPI通信中，FPGA可以作为从机，接收来自STM32主机的指令并执行相应的操作。FPGA内部有多个SPI模块，可以通过配置不同的寄存器来实现不同的功能。

以下是一个基本的FPGA从机的代码示例，它与STM32的主机通信并接收数据：

module spi_slave (
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire [7:0] spi_in,
    output reg [7:0] spi_out
);
 
reg [7:0] rx_data;  // 存储接收到的数据
reg [7:0] tx_data;  // 存储发送的数据
reg tx_valid;       // 标志数据是否可以发送
reg rx_valid;       // 标志数据是否接收完毕
 
// 定义SPI状态机，处理接收和发送操作
parameter IDLE = 0;
parameter RX = 1;
parameter TX = 2;
 
reg [1:0] state;
 
always @(posedge clk, posedge rst) begin
    if (rst) begin
        state <= IDLE;
        rx_valid <= 0;
        tx_valid <= 0;
        spi_out <= 0;
        tx_data <= 0;
    end else begin
        case (state)
            IDLE: begin
                if (spi_in[7] == 1) begin  // 判断是否为接收模式
                    rx_data <= 0;
                    state <= RX;
                end else if (tx_valid == 1) begin  // 判断是否为发送模式
                    spi_out <= tx_data;
                    state <= TX;
                end
            end
            RX: begin
                rx_data <= {rx_data[6:0], spi_in[7]};
                if (spi_in[7] == 0) begin
                    rx_valid <= 1;
                    state <= IDLE;
                end
            end
            TX: begin
                tx_data <= {tx_data[6:0], spi_in[7]};
                if (spi_in[7] == 0) begin
                    tx_valid <= 0;
                    state <= IDLE;
                end
            end
        endcase
    end
end
 
// 接收完毕后将数据输出
always @(posedge clk, posedge rst) begin
    if (rst) begin
        spi_out <= 0;
    end else begin
        if (rx_valid == 1) begin
            spi_out <= rx_data;
            rx_valid <= 0;
        end
    end
end
 
// 发送数据的接口
task send_data;
input [7:0] data;
begin
    tx_data <= data;
    tx_valid <= 1;
end
endtask
 
endmodule

在此代码中，FPGA通过spi_in和spi_out输入和输出数据。可以设置spi_in的最高位来选择是接收还是发送模式，其余7位用于传输数据。如果最高位为1，则表示接收模式，FPGA会接收所有的数据，并将其存储到rx_data中。如果最高位为0，则表示发送模式，FPGA从tx_data寄存器中读取数据，并将其发送到spi_out中。可以使用send_data任务发送数据。当rx_data中存储的数据完全接收并解码完成后，数据会被输出到spi_out中，stm32主机可以读取这个数据。

使用这个代码，可以轻松实现STM32和FPGA之间的SPI通信。在STM32主机中，可以使用SPI发送指令和数据，FPGA接收并执行相应的操作，并在需要时发送数据。

关闭通信

SPI通信中，FPGA可以作为从设备与STM32作为主设备进行通信。FPGA作为从设备，接收STM32主设备发送的数据，在数据传输结束后需要给出结束信号，通知主设备通信已经结束。

一种典型的结束通信方法是在FPGA上产生一个特定的电平信号，称为片选信号（Chip Select，CS）。在SPI通信中，STM32主设备向FPGA发送数据时，需要先拉低片选信号，将FPGA从设备选中，然后发送数据。在数据传输结束后，STM32主设备再将片选信号拉高，通知FPGA从设备，通信已经结束。

具体实现方式有两种：

1. 通过GPIO控制片选信号。在FPGA的设计中，通过将一个GPIO模块与SPI接口相连，用于控制片选信号。当STM32主设备需要进行数据传输时，会通过设定该GPIO模块的输出电平来控制片选信号的状态，从而实现SPI通信的开始和结束。

2. 通过SPI协议进行控制。在SPI协议中，片选信号是一种特殊的信号，可以通过定义特定的通信协议，在通信过程中实现从设备发送片选信号。在数据传输结束时，FPGA从设备可以发送一个特定的片选信号，通知主设备通信已经结束。

以上是两种常用的结束通信方式，不同的实现方式适用于不同的应用场景，需要根据具体要求进行选择。

为什么要建立stm32与fpga之间的spi通信

FPGA与MCU相比有以下优势：

1. 高度可编程性：FPGA可根据应用程序的要求进行高度定制化的编程。反之，MCU程序通常是确定的，难以修改或扩展。

2. 处理能力：FPGA具有强大的并行处理能力，可以同时执行多个复杂的操作，而MCU则需要单独执行每个操作。

3. 快速响应：FPGA芯片可以在微秒级别响应输入信号，而MCU需要一些时间来检测、解析和响应输入。

4. 低功耗：使用FPGA芯片可以实现极低的功耗，因为它们只在需要时才会执行操作。相比之下，MCU通常需要一直运行以维持其功能。

5. 应用场景：FPGA通常用于高速信号处理、数字信号处理、图像处理等应用领域，而MCU则更多用于低功耗、周期性处理、控制领域等。