『FPGA通信接口』串行通信接口-SPI_fpga spi接口

1.SPI简介

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，通常说SPI接口或SPI协议都是指SPI这一种串行外设接口规范。相对于串口，SPI是一种高速的（可达10Mb\s以上），全双工，同步的通信总线。串口是点对点的全双工的异步通信，因此要通信双方按照相同的约定（指起始、暂停位、波特率）才能在数据上同步，准确通信。而SPI是一种同步通信的总线结构，同步是指有专门时钟线用来同步源端和目的端，总线结构是指主从之分，通常是一个设备做主，可以多个设备做从，也正因为如此才有了CS片选线，指定所选从设备。
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在实际的应用中，通常也只是一主一从。SPI接口多应用于Flash、ADC、LCD控制器，CMOS寄存器配置接口等场景。SPI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，越来越多的芯片集成了这种通信协议。

2.控制时序

SPI有四根线，如下，

（1）MISO– Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出；
（2）MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
（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。
SPI通信一般包括主设备（Master）和从设备（Slave），主设备负责发起通信并控制通信的时序，从设备则响应主设备的指令。SPI通信有四种模式，分别是模式0、模式1、模式2和模式3，不同的模式在时钟极性和相位上有所不同。这四种数据传输的时序模式，是由设备的属性的决定的，用CPOL和CPHA标识这四种时序。CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL=0（1），空闲电平为低电平（高电平）CPHA是用来决定采样时刻的，CPHA=0，在每个周期的第一个时钟沿采样，CPHA=1，则在每个周期的第二个时钟沿采样。 通常使用的是MODE0模式，即CPOL=CPHA=0，空闲时为低电平，在第一个时钟沿采样。其他几种模式如果需要可以上网搜索，资料很多。
使用SPI接口时需要注意，很多SPI接口的芯片并不是标准的SPI协议，可能是稍有变化，例如对哪个沿采样会有明确的说明。此外，还有一种可能是在SPI协议的基础上进一步做限制，例如要求一次读写过程结束后CS必须拉高等。SPI要求是高位在前，MSB的方式。还有就是SPI一个时钟周期必然要执行接收一位数据和发送一位数据。

3.Dual、Qual模式

上面描述的就是标准SPI，有4根引脚信号：clk , cs, mosi, miso。针对SPI Flash而言，有Dual SPI和Qual SPI两种模式，这是因为，Flash器件的全双工并不常用，因此扩展mosi和miso的用法，让它们工作在半双工，用以加倍数据传输。也就是对于Dual SPI Flash，可以发送一个命令字节进入dual mode，这样mosi变成SIO0（serial io 0），mosi变成SIO1（serial io 1）,这样一个时钟周期内就能传输2个bit数据，加倍了数据传输。与Dual SPI类似，Qual SPI Flash增加了两根I/O线（SIO2,SIO3），目的是一个时钟内传输4个bit。

4.例程设计与代码解读

如图所示，把Spi_driver模块的输入输出分成两个部分，一个部分为图示左侧的与其他模块交互的接口，另一部分为图示右侧与物理管脚相连。Spi_en信号为外部的脉冲信号，收到该脉冲执行一次8Bit的发送动作，和8Bit的接收动作。通过VIO产生spi_en信号和要发送的数据信号data[7:0]，将板卡上的mosi和miso管脚相连，判断发送数据和接收数据是否一致，若一致则点亮led。由于缺乏带SPI设备的板卡，故设计此例程。一次发送动作结束后会产生spi_done的脉冲信号，在发送动作执行过程中，spi_busy持续为拉高状态。另外，spi_sck作为同步时钟直接决定传输数据的速度，通常在10Mb/s以下，或者依据对端设备来指定。

在使用SPI设备时可以修改此驱动模块以满足需求，左侧信号与外部设备交互，当busy拉高的时候不允许发送spi_en信号；可以对data信号采用多路选择器，以完成某些固定的指令或者读写操作；同样，数据的位宽也可以扩展。另外，实际使用的时候应该使用cs管脚，按照相关设备的要求灵活运用该管脚。
下面代码在硬件板卡上完成测试。该代码使用MODE0，即CPOL=CPHA=0的模式。程序分为以下四步，第一步产生sck同步时钟，第二步依据en指示信号写数据，第三步依据en指示信号并发读数据，第四步产生ui交互信号。

module spi_wr(
    input        clk_i       ,
    //user interface
    // input        spi_en     ,//其他模块的spi使能信号
    // input    [7:0]data      ,
    output       spi_busy      ,//指示spi的状态,表示SPI过程
    output       spi_done      ,//指示spi结束一次动作
    output       led           ,
    // output       spi_cs        ,//SPI从机的片选信号，低电平有效。
    output       spi_clk       ,//主从机之间的数据同步时钟。
    output       spi_mosi      ,//数据引脚，主机输出，从机输入。
    input        spi_miso      //数据引脚，主机输入，从机输出。 
    );
// assign spi_cs = 0;
//1.同步时钟产生模块 用50MHz分频为50KHz
assign spi_clk = m_clk;
parameter [9:0] SPI_DIV    = 10'd499;//分频定为50KHz，50Mhz/50K/2- 1'b1=499
reg [9:0] clk_cnt = 10'd0;//分频计数器
always@(posedge clk_i)begin
    if(clk_cnt < SPI_DIV&&spi_busy)
        clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
    else 
        clk_cnt <= 10'd0;
end
reg m_clk = 1'b0;
always@(posedge clk_i)begin
    if(spi_en)
        m_clk <= 1'b0;
    else if(clk_cnt==SPI_DIV) 
        m_clk <= ~m_clk;
end
//2.接收en信号和数据，执行spi mosi操作（写数据）
//计数发送个数
reg [3:0]tx_cnt = 0;
always@(posedge clk_i)begin
    if(spi_en)begin
        tx_cnt <= 0; 
    end else if((clk_cnt == SPI_DIV)&&(tx_cnt==4'd8))begin
        tx_cnt <= 0;
    end else if((clk_cnt == SPI_DIV)&&spi_clk==0)
        tx_cnt<=tx_cnt+1;
end
//移位寄存器发送
wire [7:0]data;
reg  [7:0]data_reg=8'b0;//数据源
always@(posedge clk_i)begin
    if(spi_en)
        data_reg <= data;
    else if(spi_done)
        data_reg <=8'b0;
    else if(clk_cnt == SPI_DIV&&spi_clk==1)
        data_reg[7:0] <= {data_reg[6:0],data_reg[7]};
end
assign spi_mosi = data_reg[7];
//3.接收en信号和数据，执行spi miso操作（读数据）
reg  [7:0]data_fifo=8'b0;
always@(posedge clk_i)begin
    if((clk_cnt == SPI_DIV)&&spi_clk==0)begin
        case (tx_cnt)
           0 : data_fifo[7] <= spi_miso;
           1 : data_fifo[6] <= spi_miso;
           2 : data_fifo[5] <= spi_miso;
           3 : data_fifo[4] <= spi_miso;
           4 : data_fifo[3] <= spi_miso;
           5 : data_fifo[2] <= spi_miso;
           6 : data_fifo[1] <= spi_miso;
           7 : data_fifo[0] <= spi_miso;
           default: ;
        endcase
    end else 
        data_fifo <= data_fifo;
end
//4.发出user interface相关指示信号
wire spi_en;
reg spi_busy =0;
assign spi_done = ((clk_cnt == SPI_DIV)&&(tx_cnt==4'd8)) ? 1'b1 : 1'b0;
assign led = (data_fifo==8'b11010111) ? 1'b1 : 1'b0;
//产生busy信号，指示spi进程
always@(posedge clk_i)begin
    if(spi_en)
        spi_busy<=1'b1;
    else if(spi_done)
        spi_busy<=1'b0;
    else
        spi_busy<=spi_busy;
end
vio_0 use_vio (
  .clk(clk_i),                // input wire clk
  .probe_out0(spi_en),  // output wire [0 : 0] probe_out0
  .probe_out1(data)  // output wire [7 : 0] probe_out1
);
ila_0 your_instance_name (
    .clk(clk_i), // input wire clk
    .probe0({data_reg,data_fifo}), // input wire [15:0]  probe0  
    .probe1(tx_cnt), // input wire [3:0]  probe1 
    .probe2({spi_en,spi_mosi,spi_miso,spi_busy}) // input wire [3:0]  probe2
);
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5.SPI接口实战应用

给一款以SPI寄存器接口作为接口的芯片写一个SPI控制器大概需要三步，首先搞清楚芯片datasheet对于SPI接口的时序要求，每个芯片都可能有特殊的一面。然后，根据芯片要求设计程序完成仿真验证。最后，RTL设计，布局布线上板测试。

5.1时序要求

1. 系统对于SPI读写发生的时隙做了规定，即上电之后经过一系列步骤等reset拉高之后的10us之后。

2. 在使用PLL时钟的情况下，最大的SPI的时钟为10MHz，如下。为了精准的控制每一个上升沿和下降沿的数据，使用手动的方式生成这个时钟，用户时钟为50MHz，因此分频的时钟周期为20ns。
   

3. 根据datasheet提及的SPI时序，首先应该在按照上电时序要求的情况下把ss_n拉低。

4. 手册要求，ss_n拉低之后需要保持一个spi的时钟周期才能给spi时钟。
   

5. 该芯片的SPI的时序是，第一个时钟边沿是上升沿，直接在第一个边沿就加载数据了。此处加载的是写入的9bit宽的地址值，注意此处是，MSB.
   

6. 注意读写之间的切换，与标准的SPI的时序不同，是在spiclk的下降沿抓取数据。

5.2仿真时序图

5.3代码设计

源码工程见文末
①init模块完成系统对于上电时序的要求，上电后10us给时钟，时钟给到后的10us才开始复位拉高，控制SPI Upload在reset 10us之后开始；
②形成四个模块，各司其职。spi_ctrl模块控制读写寄存器的顺序以满足配置顺序要求；LUT模块将每个寄存器的将要写入的内容提前编辑好，配合ctrl完成读写配置；spi_driver模块根据ctrl模块的读写命令指示和lut的寄存器地址和写入数据驱动spi接口写入数据；top模块将三个子模块例化保持与design_top的通信。
③当开始spi upload后，spi_ctrl模块将按照预先编辑好的查找表，按顺序写入寄存器，其中需要注意有一个环节要读时钟管理寄存器的状态，状态正常后才能继续写，这点尤为重要。

6.传送门

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