基于FPGA的SPI接口设计-徐慧军.docx

基于ISE的 SPI接口的仿真设计1、 SPI介绍SPI 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。外围设置FLASHRAM 、网络控制器、LCD 显示驱动器、 A/D 转换器和MCU 等。 SPI 总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4 条线：串行时钟线（SCK） 、主机输入/从机输出数据线MISO、 主机输出/从机输入数据线MOST 和低电平有效的从机选择线 SS（有的 SPI 接口芯片带有中断信号线INT 或 INT、有的 SPI 接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。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）， SCK（时钟） ， CS（片选） 。（ 1 ） MOSI 主设备数据输出，从设备数据输入（ 2） MISO 主设备数据输入，从设备数据输出（ 3） SCLK 时钟信号，由主设备产生（ 4） CS 从设备使能信号，由主设备控制其中 CS 是控制芯片是否被选中的，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），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI 设备成为可能。接下来就负责通讯的3 根线了。 通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI 是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK 时钟线存在的原因，由SCK 提供时钟脉冲，SDI， SDO 则基于此脉冲完成数据传输。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。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8 位数据的传输。要注意的是，SCK 信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI 的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8 位数据，而SPI 允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK 时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK 时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI 还是一个数据交换协议：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。不同的SPI 设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。在点对点的通信中，SPI 接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C 系统要稍微复杂一些。2、 SPI 工作模式SPI 由工作方式的不同，可分为两种模式：主模式和从模式（ 1） 主模式将 Master 的数据传送给Slave， 8 位数据传送，传送完毕，申请中断，如图所示：SPI 工作主模式（ 2） 从模式此时，从控制器从SIMO引脚接收串行数据并把数据移入自身移位寄存器的最低位或最高位。要注意的是，其是在主控制器输出时钟SCLK的控制下，在 SCLK的上升沿或者下降沿读出一个数据输出给主设备。其传播模型如下图所示：SPI 工作从模式须注意的是，主设备可以再在任意时刻起动数据发送，因为它控制着SCLK信号，而在从模式下，从控制器要发送数据，必须要用先设置片选信号以确保使能端CS输入允许。三、 SPI传输模式SPI 的工作模式分为主模式和从模式，二者都需要在SCK 的作用下才能工作； 但主模式不需要CS 信号， 而从模式必须在CS 信号有效的情况下才能完成。不论是在主模式下还是在从模式下，都要在时钟极性（ CPO）L 和时钟相位（ CPHA）的配合下才能有效地完成一次数据传输。其中， 时钟极性表示时钟信号在空闲时的电平；时钟相位决定数据是在SCK 的上升沿采样还是下降沿采样。根据时钟极性和时钟相位的不同组合，可以得到SPI 总线的 4 种工作模式，如图所示：SPI 四种传输模式（ 1） SPI0 模式下的CPOL 为 0， SCK的空闲电平为低；CPHA 为 0，数据在串行同步时钟的第一个跳变沿（由于CPOL 为低，因此第1 个跳变沿只能为上升沿）时数据被采样。（ 2） SPI1 模式下的CPOL 也为0， SCK的空闲电平为低；但是CPHA 为 1，数据在串行同步时钟的第二个跳变沿（由于CPOL 为低，因此第2 个跳变沿只能为下降沿）时数据被采样。（ 3） SPI2 模式下的CPOL 为 1， SCK的空闲电平为高；CPHA 为 0，数据在串行同步时钟的第1 个跳变沿（由于CPOL 为高，因此第1 个跳变沿只能为下降沿）时数据被采样。（ 4） SPI3 模式下的CPOL 为 1， SCK的空闲电平为高；CPHA 为 1，数据在串行同步时钟的第2 个跳变沿（由于CPOL 为高，因此第1 个跳变沿只能为上升沿）时数据被采样。在上述 4 种模式中，使用的最为广泛的是SPI0 和 SPI3 方式。 由于每一种模式都与其他三种不兼容，因此为了完成主、从设备间的通讯，主、从设备的CPOL 和 CPHA 必须有相同的设置。读者需要注意的是：如果主设备/从设备在SCK上升沿发送数据，则从设备/主设备最好在下降沿采样数据；如果主设备/从设备在SCK下降沿发送数据，则从设备/主设备最好在SCK上升沿采样数据。四、 SPI 协议SPI 接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的 SPI 接口定义来设计的，但正因为没有确切的版本协议，不同厂家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法互联（需要用软件进行必要的额修改）。本次设计基于一种使用较为普遍的协议来进行设计，通过简单协议来理解并设计SPI 接口功能。SPI 协议是一个环形总线结构，其时序其实比较简单，主要是在时钟脉冲SCK 的控制下，两个双向移位寄存器SPI 数据寄存器数据进行数据交换。我们假设主机的8 位寄存器SPIDATA1 内的数据是10101010，而从机的8 位寄存器 SPIDATA2 内的数据是01010101 ，在上升沿的时候发送数据，在下降沿的时候接收数据，最高位的数据先发送，主机和从机之间全双工通信，也就是说两个SPI 接口同时发送和接收数据，如图所示。从图中我们也可以看到，SPIDATA移位寄存器总是将最高位的数据移出，接着将剩余的数据分别左移一位，然后将接收到得数据移入其最低位。MSBSPIDATA2LSB如图所示，当第一个上升沿来的时候，SPIDATA1将最高位1 移除，并将所有数据左移1 位， 这时 MOSI 线为高电平，而 SPIDATA2将最高位0 移出， 并将所有数据左移1 位， 这样 MISO 线为低电平。然后当下降沿到来的时候，SPIDATA1将锁存MISO 线上的电平，并将其移入其最低位，同样的，SPIDATA2将锁存 MOSI 线上的电平，并将其移入最低位。经过8 个脉冲后，两个移位寄存器就实现了数据的交换，也就是完成了一次SPI 的时序。10101010101010101010101010101010五、仿真实现SPI 时序图如下图所示：下图是基于Xilinx的 Spartan-3E平台采用Verilog语言编译仿真后的SPI接口附录Verilog源代码如下所示：timescale 1ns / 1ps/ Company:/ Engineer:/ Create Date:00:34:32 04/09/2013/ Design Name:/ Module Name:spi/ Project Name:/ Target Devices:/ Tool versions:/ Description:/ Dependencies:/ Revision:/ Revision 0.01 - File Created/ Additional Comments:/module spi(rst,clk,rd,wr,datain,spics,spiclk,spido,spidi,dataout );input rst; /置位信号，低有效 inputclk;/ 时钟信号inputrd;/ 接收数据命令inputwr;/ 发送数据命令inputspidi;/spi 数据输入信号input 7:0 datain;/ 发送数据输入output spics;/spi 片选信号output spiclk;/spi 时钟信号output spido; /spi 数据输出信号output 7:0 dataout; / 接收数据输出reg spics;reg spiclk;reg spido;reg 7:0 dataout,dstate,dsend,dreceive; /cntreg 1:0 spistate;parameter idle = 2'b00;parameter send_data = 2'b01;parameter receive_data = 2'b10initialbegin spics spiclk spidoend<= 1'b1;<= 1'b1;<= 1'b1;always(posedge clk)beginif(!rst)beginspistate <= idle;spics<= 1'b1;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd0;endelsebegincase(spistate)2'b00:beginif(wr=1'b0)&&(rd=1'b1) / 发送数据转换beginspistate <= send_data;dstate <= 8'd0;dsend <= datain;endelseif(wr=1'b1)&&(rd=1'b0) / 接 收 数 据 转换beginspistate <= receive_data;dstate <= 8'd0;endelsebeginspistate <= idle;dstate <= 8'd0;endend2'b01: /发送数据状态begincase(dstate)8'd0:/产生片选信号beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd1;end8'd1:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd2;end8'd2:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd3;end8'd3:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= dsend7; / 发送数据最高位 dstate <= 8'd4;end8'd4:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= dsend7;dstate <= 8'd5;end8'd5:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= dsend6;dstate <= 8'd6;end8'd6:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= dsend6;dstate <= 8'd7;end8'd7:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= dsend5;dstate <= 8'd8;end8'd8:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= dsend5;dstate <= 8'd9;end8'd9:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= dsend4;dstate <= 8'd10;end8'd10:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= dsend4;dstate <= 8'd11;end8'd11:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= dsend3;dstate <= 8'd12;end8'd12:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= dsend3;dstate <= 8'd13;end8'd13:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= dsend2;dstate <= 8'd14;end8'd14:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= dsend2;dstate <= 8'd15;end8'd15:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= dsend1;dstate <= 8'd16;end8'd16:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= dsend1;dstate <= 8'd17;end8'd17:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= dsend0;dstate <= 8'd18;end8'd18:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= dsend0;dstate <= 8'd19;end8'd19:beginspics<= 1'b1;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd20;end8'd20:beginspics<= 1'b1;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd0;spistate <= idle;enddefault:beginspics<= 1'b1;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;spistate <= idle;endendcaseend2'b10:/接收数据状态begincase(dstate) / 片选信号有效8'd0:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd1;end8'd1:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd2;end8'd2:beginspics<= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido<= 1'b1;dstate <= 8'd3;end8'd3:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b1;dstate <= 8'd4;end8'd4:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;/ 下降沿数据读取dreceive7 <=spidi; / 接收数据 最高位dstate <= 8'd5;end8'd5:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b1;dstate <= 8'd6;end8'd6:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;dreceive6 <=spidi;dstate <= 8'd7;end8'd7:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b1;dstate <= 8'd8;end8'd8:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;dreceive5 <=spidi;dstate <= 8'd9;end8'd9:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b1;dstate <= 8'd10;end8'd10:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;dreceive4 <=spidi;dstate <= 8'd11;end8'd11:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b1;dstate <= 8'd12;end8'd12:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;dreceive3 <=spidi;dstate <= 8'd13;end8'd13:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b1;dstate <= 8'd14;end8'd14:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;dreceive2 <=spidi;dstate <= 8'd15;end8'd15:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b1;dstate <= 8'd16;end8'd16:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;dreceive1 <=spidi;dstate <= 8'd17;end8'd17:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b1;dstate <= 8'd18;end8'd18:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;dreceive0 <=spidi;dstate <= 8'd19;end8'd19:beginspics <= 1'b0;spiclk <= 1'b0;spido <= 1'b1;dstate <= 8'd20;dataout <=dreceive;end8'd20:/ 片 选beginspics <= 1'b1;信号无效spiclk <= 1'b1;spido <= 1'b1;dstate <= 8'd0;spistate <=idle;endendcaseenddefault:beginspics<= 1'b1;spiclk <= 1'b1;spido<= 1'b1;spistate <= idle;endendcaseendendendmoduletimescale 1ns / 1psVerilog Module 测试模块：/ Company:/ Engineer:/ Create Date: 16:27:15 04/10/2013/ Design Name: spi/ Module Name: E:/fpga/spi_reg/spi_instance.v/ Project Name: spi_reg/ Target Device:/ Tool versions:/ Description:/ Verilog Test Fixture created by ISE for module: spi / Dependencies:/ Revision:/ Revision 0.01 - File Created/ Additional Comments:/module spi_instance;/ Inputsreg rst;reg clk;reg rd;reg wr;reg 7:0 datain;reg spidi;/ Outputswire spics;wire spiclk;wire spido;wire 7:0 dataout;/ Instantiate the Unit Under Test (UUT)spi uut (.rst(rst),.clk(clk),.rd(rd),.wr(wr),.datain(datain),.spics(spics),.spiclk(spiclk),.spido(spido),.spidi(spidi),.dataout(dataout)/ .dataout(datain);parameter PERIOD = 20;initial begin/ Initialize Inputsrst = 0;clk = 0;rd = 0;wr = 0;datain = 0;spidi = 0;/ Wait 100 ns for global reset to finish #100;/ Add stimulus hereendinitial begin / 时钟信号的产生forever#(PERIOD/2) clk = clk;endinitial begin / 复位信号的撤销rst=1;endinitial begin / 写数据/ forever/wr=0;rd=1;/foreverdatain=8'b10101010;end endmodule