基于FPGA的帶寄存器尋址SPI接口設(shè)計(jì)

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，硬件間的相互通信速度要求越來越快。文中給出了采用Verilog HDL語言以有限狀態(tài)機(jī)的形式，在FPGA中實(shí)現(xiàn)對帶寄存器尋址的SP[接口控制的方法：同時(shí)介紹了通過SPI接口的結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了所設(shè)計(jì)的SPI接口要求，并通過Modelsim SE 6．5仿真軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了符合設(shè)計(jì)要求的仿真波形，且在FPGA開發(fā)板上得到了正確驗(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于帶寄存器尋址的SPI接口配置。
關(guān)鍵宇：物聯(lián)網(wǎng)；Verilog HDL；FPGA；有限狀態(tài)機(jī)；SPI

0 引言
    SPI(Serial Peripheral Interface，串行外圍接口)總線是一種高速全雙工同步串行通信接口，可以實(shí)現(xiàn)CPU與各種外圍設(shè)備(如FLAS、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、網(wǎng)絡(luò)控制器、AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器和其他CPU等)以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。相比于I2C接口和UART等其他串行接口，一般情況下，SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸速度最快，可以達(dá)到幾個(gè)Mb／s。I2C接口由于是二線協(xié)議速度，很難超過1 Mb／s；UART工作在方式0(8位移位寄存器)時(shí)，時(shí)鐘速度為系統(tǒng)時(shí)鐘的1／12，而SPI接口時(shí)鐘速度一般為系統(tǒng)時(shí)鐘的1／4。本文給出了采用Verilog HDL語言，以FPGA為控制器設(shè)計(jì)的一種帶寄存器尋址的SPI接口的設(shè)計(jì)方法。

1 SPI總線結(jié)構(gòu)和工作原理
    SPI總線一般使用四條信號線，以主／從模式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸過程由主機(jī)初始化。它是一種環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。SPI總線使用的四條信號線分別為SCLK、MOSI、MISO和CS。其中，SCLK為串行時(shí)鐘線，用來同步數(shù)據(jù)傳輸，由主機(jī)產(chǎn)生；MOSI是主機(jī)輸出，從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線；MISO是主機(jī)輸入，從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線；CS是從機(jī)選擇線，由主機(jī)控制輸出。

    CS用于表示控制芯片是否被選中，即只有CS有效時(shí)(高電平或低電平)，對此芯片的操作才有效，從而在同一總線上連接多個(gè)SPI接口設(shè)備成為可能。當(dāng)SPI從機(jī)被選中時(shí)，在SPI主機(jī)輸出SCLK的控制下，SPI主機(jī)通過MOSI引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，SPI從機(jī)通過MOSI接收數(shù)據(jù)，或者SPI從機(jī)通過MISO引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，SPI主機(jī)通過MISO引腳接收數(shù)據(jù)。
    SPI總線通過時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)兩個(gè)控制位來配置其工作方式及其接口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。SPI總線工作時(shí)序圖如圖2所示。C POL用來控制SCLK的空閑狀態(tài)電平。當(dāng)CPOL=0時(shí)，SCLK的空閑狀態(tài)為低電平；當(dāng)CPOL=1時(shí)，SCLK的空閑狀態(tài)為高電平。CPHA用來控制采樣數(shù)據(jù)的時(shí)刻。當(dāng)CPHA=0時(shí)，在SCLK從空閑狀態(tài)跳變的第一個(gè)時(shí)沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣；當(dāng)CPHA=1時(shí)，在SCLK從空閑狀態(tài)跳變的第二個(gè)時(shí)沿?cái)?shù)據(jù)被采樣。

    SPI總線工作原理：假定CPOL=0，CPHA=1。當(dāng)要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，SPI主機(jī)控制CS輸出有效電平，SCLK輸出時(shí)鐘信號，SPI總線處于工作狀態(tài)。當(dāng)SCLK第一個(gè)時(shí)沿(上升沿)來的時(shí)候，SPI主機(jī)的8位移位寄存器將最高位(MSB)的數(shù)據(jù)移出，并將剩余的數(shù)據(jù)分別左移一位，這時(shí)MOSI線上電平為剛移出MSB代表的電平；同時(shí)SPI從機(jī)的8位移位寄存器將最高位的數(shù)據(jù)移出，并將剩余的數(shù)據(jù)分別左移一位，而MISO線上電平為剛移出MSB代表的電平。然后當(dāng)?shù)诙r(shí)沿(下降沿)到來的時(shí)候，SPI主機(jī)的8位移位寄存器將鎖存MISO線上的電平，并將其移入最低位(LSB)：同時(shí)SPI從機(jī)的8位移位寄存器將鎖存MOSI線上的電平，并將其移入最低位。經(jīng)過8個(gè)SCLK時(shí)鐘周期后，兩個(gè)移位寄存器就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換，即完成了一次SPI接口時(shí)序，然后SPI總線重新回到空閑狀態(tài)，從而SPI主機(jī)和SPI從機(jī)之間實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

2 SPI總線協(xié)議設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)
    本文采用Verilog HDL語言以同步有限狀態(tài)機(jī)(FSM)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了一種4線制全雙工的SPI總線。通過SPI主機(jī)訪問SPI從機(jī)的控制寄存器，實(shí)現(xiàn)SPI主機(jī)和SPI從機(jī)間的SPI總線協(xié)議通信。
2．1 SPI總線協(xié)議
    設(shè)計(jì)的SPI總線時(shí)序要求：當(dāng)CS為低電平時(shí)，MOSI線和MISO線上數(shù)據(jù)傳輸有效。數(shù)據(jù)傳輸由SCLK控制，每次數(shù)據(jù)傳輸開始于SCLK的下降沿。每個(gè)輸出的數(shù)據(jù)位在SCLK上升沿被采樣。1 b讀／寫位實(shí)現(xiàn)SPI主機(jī)對SPI從機(jī)的讀操作和寫操作。1 b的保留位用作擴(kuò)展。6 b地址是所要訪問的SPI從機(jī)控制寄存器的地址。8 b數(shù)據(jù)是寫入或讀取SPI從機(jī)指定地址的控制寄存器的內(nèi)容。寫操作和讀操作時(shí)序圖如圖3所示。

2．2 SPI接口軟件實(shí)現(xiàn)
    在設(shè)計(jì)中，采用100 MHz的FPGA內(nèi)部時(shí)鐘FPGA_CLK，而輸出的SPI接口時(shí)鐘SCLK為25 MHz。SPI主機(jī)控制SPI從機(jī)實(shí)現(xiàn)讀操作和寫操作的主模式程序流程圖如圖4所示。

    在寫時(shí)序和讀時(shí)序中可使用同步有限狀態(tài)機(jī)(FSM)實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。Idle為空閑狀態(tài)時(shí)，將檢測寫使能信號Write_ En和讀使能信號Read_En。

    當(dāng)Write_En有效時(shí)，進(jìn)入寫操作時(shí)序狀態(tài)。在FPGA_CLK時(shí)鐘上升沿的控制下，由Idle狀態(tài)進(jìn)入SI狀態(tài)，再進(jìn)入S2狀態(tài)，接著進(jìn)入S3狀態(tài)。從S3狀態(tài)開始，有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)入16次循環(huán)狀態(tài)，循環(huán)經(jīng)過S3、S4、S5和S6狀態(tài)。在S3狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK輸出低電平，CS輸出低電平，MOSI輸出SPI主機(jī)16位移位寄存器的最高位，而移位寄存器左移一位，最低位補(bǔ)0；在S4狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK、CS和MOSI輸出保持；在S5狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK輸出高電平，CS和MOSI輸出保持，16位移位寄存器的最低位鎖存MISO上的電平；在S6狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK、CS和MOSI輸出保持。當(dāng)16次循環(huán)結(jié)束時(shí)，SPI主機(jī)MOSI有效輸出和MISO有效輸入也分別結(jié)束。有限狀態(tài)機(jī)依次進(jìn)入S17、S18、S19、S20，最后回到Idle狀態(tài)，寫操作時(shí)序結(jié)束。
    當(dāng)Read_En有效時(shí)，進(jìn)入讀操作時(shí)序狀態(tài)。由Idle狀態(tài)進(jìn)入S7狀態(tài)，再進(jìn)入S8狀態(tài)，接著進(jìn)入S9狀態(tài)。從S9狀態(tài)開始，有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)入8次循環(huán)狀態(tài)，循環(huán)經(jīng)過S9、S10、S11和S12狀態(tài)。在S9狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK輸出低電平，CS輸出低電平，MOSI輸出SPI主機(jī)16位移位寄存器的最高位，而移位寄存器左移一位，最低位補(bǔ)移位寄存器的最高位數(shù)據(jù)；在S10狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK、CS和MOSI輸出保持；在S11狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK輸出高電平，CS和MOSI輸出保持；在S12狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK、CS和MOSI輸出保持。當(dāng)8次循環(huán)結(jié)束時(shí)，SPI主機(jī)MOSI有效輸出結(jié)束，而MISO開始有效輸入。從S13狀態(tài)開始，有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)人下一個(gè)8次循環(huán)狀態(tài)，循環(huán)經(jīng)過S13、S14、S15和S16狀態(tài)。在S13狀態(tài)，SPI主機(jī)SCLK、CS和MOSI輸出低電平，16位移位寄存器左移一位，最低位補(bǔ)0；在S14狀態(tài)時(shí)，SCLK、CS和MOSI輸出保持；在S15狀態(tài)時(shí)，SPI主機(jī)SCLK輸出高電平，CS和MOSI輸出保持，16位移位寄存器的最低位鎖存MISO上的電平；在S16狀態(tài)時(shí)候，SCLK、CS和MOSI輸出保持。當(dāng)8次循環(huán)結(jié)束時(shí)，SPI主機(jī)MISO有效輸入結(jié)束。有限狀態(tài)機(jī)依次進(jìn)入S17、S18、S19、S20，最后回到Idle狀態(tài)，讀操作時(shí)序結(jié)束。

3 SPI接口設(shè)計(jì)的仿真和綜合
    根據(jù)上述SPI主機(jī)接口的設(shè)計(jì)方案，可采用Altera公司的Quartus II 8．1軟件對其進(jìn)行Verilog編程，并在Modelsim SE 6．5軟件中進(jìn)行時(shí)序仿真。SPI接口寫操作和寫操作時(shí)序仿真圖如圖6所示?？梢钥闯?，當(dāng)Write_En為高電平時(shí)，將1 b讀／寫位、1 b保留位、6 b地址和8 b數(shù)據(jù)送入SPI主機(jī)串行發(fā)送緩沖器中?；蛘弋?dāng)Read_En為高電平時(shí)，將1 b讀／寫位、1 b保留位和6 b地址分別送入SPI主機(jī)串行發(fā)送緩沖器的高8位和低8位中。當(dāng)下一個(gè)FPGA_CLK時(shí)鐘的上升沿到來時(shí)，將SPI主機(jī)串行發(fā)送緩沖器的內(nèi)容送入SPI主機(jī)16 b移位寄存器中，接著在FPGA_ CLK時(shí)鐘的控制下，進(jìn)入正常的SPI接口寫操作或讀操作時(shí)序過程。當(dāng)CS為高電平時(shí)，產(chǎn)生SPI串行通信結(jié)束提示信號SPI_Done_Sig，并將從MISO接收的數(shù)據(jù)送入SPI串行接收緩沖器。

    從以上仿真結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)可以滿足SPI總線協(xié)議的設(shè)計(jì)要求，且該SPI模塊功能是可以正常工作的。在Quartus II 8．1中完成該模塊的綜合并下載到FPGA開發(fā)板上進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)FPGA芯片和從設(shè)備間的同步串行通信。

4 結(jié)語
    本文用Verilog HDL語言以有限狀態(tài)機(jī)的形式設(shè)計(jì)了一種符合SPI總線規(guī)范的主機(jī)模塊，并在仿真軟件Modelsim SE 6．5中進(jìn)行了仿真，得到的仿真波形符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過在Quartus II 8．1中進(jìn)行綜合并下載到FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)了SPI接口功能，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。該接口可實(shí)現(xiàn)SPI主機(jī)和帶指定地址控制寄存器的SPI從機(jī)間的同步串行通信，具有一定的實(shí)用價(jià)值。