一. SPI總線協(xié)議

SPI(Serial Peripheral Interface)接口，中文為串行外設(shè)接口。它只需要3根線或4根線即可完成通信工作（這里討論4根線的情況）。

這4根通信線分別為NCS/NSS(片選信號(hào))、SCK/SCLK(串行同步時(shí)鐘)、MOSI/SDO(主機(jī)輸出從機(jī)輸入，Master Output Slave Input)、MISO/SDI(主機(jī)輸入從機(jī)輸出)。

SPI通信有四種方式，由CPOL(時(shí)鐘極性)、CPHA(時(shí)鐘相位)的4種組合決定的。CPOL決定總線空閑時(shí)，SCK是高電平還是低電平(CPOL=,0，無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SCK=0；CPOL=1，無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SCK=1)。CPHA決定在數(shù)據(jù)開始傳輸時(shí)，SCK第幾個(gè)跳變沿采集數(shù)據(jù)(CPHA=0，開始傳輸時(shí)，在第一個(gè)跳變沿采集數(shù)據(jù)，第二個(gè)跳變沿改變發(fā)送數(shù)據(jù)(即改變MISO或者M(jìn)OSI線上電平)；CPHA=1，開始傳輸是，在第一個(gè)跳變沿改變發(fā)送的數(shù)據(jù)，在第二個(gè)跳變沿采集數(shù)據(jù))（見圖1）。

圖1

確立可靠通信前，必須保證主從機(jī)處于同一種的傳輸方式，這里為方便起見，專門以CPOL=0，CPHA=0的傳輸方式進(jìn)行討論。需要注意的是：在CPOL=0，CPHA=0的情況下，主從機(jī)都在SCK上跳沿對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，SCK下跳沿改變總線電平（見圖2）。

圖2

這里在使用FPGA實(shí)現(xiàn)SPI模塊時(shí)，做一個(gè)規(guī)定：

1. 使用CPOL=0,、CPHA=0的傳輸方式；

2. 傳輸時(shí)，以最高位先輸出，最后輸出最低位；

3. FPGA實(shí)現(xiàn)的SPI模塊作從機(jī)，SCK由外部主機(jī)提供；

4. 通信數(shù)據(jù)長度為8位。

二. FPGA的SPI從機(jī)實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)SPI從機(jī)，可以分為兩個(gè)模塊：一個(gè)是SPI接收模塊，另一個(gè)則是SPI發(fā)送模塊。

1. 首先確定模塊的輸出輸入管腳

由標(biāo)題一可以知道，SPI通信腳有4根線，我們還是用到時(shí)鐘總線和模塊復(fù)位腳，因此模塊管腳可以定義為

module myspi(nrst, clk, ncs, mosi, miso, sck);

input clk, nrst;
input ncs, mosi, sck;
output miso;

2. SCK跳變沿檢測(cè)

原理十分簡單：使用寄存器記錄SCK狀態(tài)，由狀態(tài)判斷SCK是否出現(xiàn)跳變沿。

reg[2:0] sck_edge;

always @ (posedge clk or negedge nrst)

begin

if(~nrst)

begin

sck_edge <= 3'b000;

end

else

begin

sck_edge <= {sck_edge[1:0], sck};

end

end

wire sck_riseedge, sck_falledge;

assign sck_riseedge = (sck_edge[2:1] == 2'b01); //檢測(cè)到SCK由0變成1，則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)上跳沿

assign sck_falledge = (sck_edge[2:1] == 2'b10); //檢測(cè)到SCK由1變成0，則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)下跳沿

3. SPI接收部分

SPI接收部分使用有限狀態(tài)機(jī)：

狀態(tài)1：等待SCK上跳沿，并將MOSI的數(shù)據(jù)移入移位寄存器byte_received，接收位數(shù)寄存器bit_received_cnt記錄接收到的數(shù)據(jù)位數(shù)，接收到8位數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)入狀態(tài)2；

狀態(tài)2：保存移位寄存器byte_received數(shù)據(jù)到接收緩存器rec_data，接收標(biāo)志位/接收緩存器非空標(biāo)志位rec_flag置高4個(gè)clk時(shí)鐘周期后轉(zhuǎn)入狀態(tài)3；

狀態(tài)3：清除rec_flag并轉(zhuǎn)入狀態(tài)1。

reg[7:0] byte_received;
reg[3:0] bit_received_cnt;
reg rec_flag;
reg[1:0] rec_status;  //SPI接收部分狀態(tài)機(jī)
reg[7:0] rec_data;
reg[2:0] rec_flag_width;  //SPI接收完成標(biāo)志位脈沖寬度寄存器
always @ (posedge clk or negedge nrst)  //每次sck都會(huì)接收數(shù)據(jù)，spi的頂端模塊狀態(tài)機(jī)決定是否取用
begin
if(~nrst)
begin
byte_received <= 8'h00;
bit_received_cnt <= 4'h0;
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
rec_flag_width <= 3'b000;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (rec_status)
2'b00: begin
if(sck_riseedge)
begin
byte_received <= {byte_received[6:0], mosi};
if(bit_received_cnt == 4'h7)
begin
bit_received_cnt <= 4'b0000;
rec_status <= 2'b01;
end
else
begin
bit_received_cnt <= bit_received_cnt+1;
end
end
end
2'b01: begin
rec_data <= byte_received;
rec_flag <= 1'b1;
if(rec_flag_width==3'b100) begin
rec_flag_width <= 3'b000;
rec_status <= 2'b11;
end
else begin
rec_flag_width <= rec_flag_width+1;
end
end
2'b11: begin
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
end
endcase
end
end
end

? ???這里，使用rec_flag的原因是通知另一個(gè)模塊處理接收數(shù)據(jù)(后面將會(huì)提到)，rec_data若在下一次數(shù)據(jù)傳輸完成前不做處理則會(huì)丟失。

4. SPI發(fā)送部分

SPI從機(jī)一般在解析主機(jī)發(fā)送的命令后，主動(dòng)發(fā)出主機(jī)所需數(shù)據(jù)，所以，SPI發(fā)送部分，需要其他模塊的觸發(fā)，并將數(shù)據(jù)送往MISO管腳。

SPI發(fā)送部分也離不開狀態(tài)機(jī)：

狀態(tài)1：等待發(fā)送觸發(fā)標(biāo)志位send_flag置高，一旦標(biāo)志位send_flag置高，發(fā)送移位寄存器byte_sended存儲(chǔ)外部觸發(fā)模塊的數(shù)據(jù)send_data，miso管腳輸出發(fā)送數(shù)據(jù)最高位send_data[7]，置位正在發(fā)送標(biāo)志位sending_flag，轉(zhuǎn)入狀態(tài)2；

狀態(tài)2：等待SCK上跳沿，即等待主機(jī)接收數(shù)據(jù)最高位后進(jìn)入狀態(tài)3；(其實(shí)這個(gè)狀態(tài)可有可無的狀態(tài))

狀態(tài)3：在SCK下跳沿，將發(fā)送移位寄存器byte_sended最高位移入miso管腳，當(dāng)發(fā)送移位寄存器被移空，清除正在發(fā)送標(biāo)志位sending_flag，進(jìn)入狀態(tài)4；

狀態(tài)4：置低miso管腳，轉(zhuǎn)入狀態(tài)1。

reg miso;
reg sending_flag;  //正在發(fā)送標(biāo)志位
reg[7:0] byte_sended;  //發(fā)送移位寄存器
reg[3:0] bit_sended_cnt;  //SPI發(fā)送位計(jì)數(shù)器
reg[1:0] send_status;  //SPI發(fā)送部分狀態(tài)機(jī)
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
byte_sended <= 8'h00;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
send_status <= 2'b00;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (send_status)
2'b00: begin
if(send_flag)
begin  //鎖存發(fā)送數(shù)據(jù)
send_status <= 2'b01;  //2'b01;
byte_sended <= send_data;
sending_flag <= 1'b1;
miso <= send_data[7];
end
end
2'b01: begin  //發(fā)送數(shù)據(jù)移入移位寄存器
if(sck_riseedge) begin
//miso <= byte_sended[7];
//byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
send_status <= 2'b11;
end
end
2'b11: begin  //根據(jù)sck下降沿改變數(shù)據(jù)
miso <= byte_sended[7];
if(sck_falledge)   ///---------------------------------------這里多移了一位
begin
//miso <= byte_sended[7];
byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
if(bit_sended_cnt == 4'b0111)
begin
send_status <= 2'b10;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
bit_sended_cnt <= bit_sended_cnt+1;
end
end
end
2'b10: begin  //數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
send_status <= 2'b00;
//sending_flag <= 1'b0;
miso <= 1'b0;
end
endcase
end
end
end

經(jīng)過實(shí)測(cè)，SCK頻率低于clk頻率8倍以上，通信可靠穩(wěn)定，測(cè)試芯片為XC3S50-TQ144，平臺(tái)為ISE，clk為25MHz。

???編輯：黃飛

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