一行代碼不敲，就構(gòu)建三線制SPI驅(qū)動(dòng)？

導(dǎo)讀：最近使用ZYNQ做一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集，需要訪問一個(gè)ADI的高速模數(shù)采樣芯片，該芯片是利用三線制實(shí)現(xiàn)讀以及寫的功能。三線制實(shí)現(xiàn)寫通信或許大家都經(jīng)常會(huì)這樣用，三線制實(shí)現(xiàn)讀/寫或許有的朋友就未曾這樣用過。今天就給大家分享一下，利用現(xiàn)成IP不寫任何代碼如何實(shí)現(xiàn)三線制SPI。

背景

ADI很多芯片都采用三線制SPI進(jìn)行控制，以AD9467為例，AD9467是一款 pipeline架構(gòu)16位高速ADC芯片，采樣率高達(dá)250MSPS。在一些復(fù)雜系統(tǒng)中其應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛：

• 多載波，多模式蜂窩接收機(jī)
• 天線陣列定位
• 功率放大器線性化
• 無線寬帶通信系統(tǒng)
• 雷達(dá)系統(tǒng)
• 紅外成像系統(tǒng)
• 通訊儀表系統(tǒng)等

從芯片框圖，大致可以看出，該芯片主要由以下部分組成：

• 三線制SPI通信接口，實(shí)現(xiàn)芯片的寄存器讀寫控制。主要用于芯片模式配置。
• LVDS接口：則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的對外傳輸，遵循ANSI-644 標(biāo)準(zhǔn)。
• CLK+/CLK-：為輸入時(shí)鐘，時(shí)鐘之于數(shù)字芯片相當(dāng)于心臟之于人，一切的動(dòng)作都是由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的。
• VIN+/VIN- ：差分輸入，模擬信號(hào)輸入通道。

對于芯片的其他部分，不是本文介紹的重點(diǎn)，這里來看看其SPI的通信時(shí)序圖：

結(jié)合SPI模式時(shí)序圖：

• 在上升沿采樣
• 下一位數(shù)據(jù)在CLK低期間變換

故，CPOL=0,CPHA=0.

另外，第一個(gè)bit用于標(biāo)識(shí)本次報(bào)文你發(fā)起的是讀還是寫操作，這種設(shè)計(jì)是不是有點(diǎn)類似I2C標(biāo)準(zhǔn)中的讀寫位？

柳暗花明

那么問題來了，我們需要做的SPI通信需要實(shí)現(xiàn)三線制SPI進(jìn)行讀以及寫：

• 如果用單片機(jī)編程IO口去翻比較容易，但是要實(shí)現(xiàn)高速AD數(shù)據(jù)傳輸，常規(guī)的單片機(jī)就捉襟見肘了。LVDS接口的數(shù)據(jù)吞吐率很難做到。
• 如果使用ZYNQ內(nèi)置的SPI外設(shè)也很容易，該外設(shè)很容易配成三線制模式。很不幸，外設(shè)引腳基本用掉了。不過可以考慮用EMIO把相應(yīng)的腳從PL端拉出去。
• 如果利用ZYNQ PS端的GPIO也可以做到，也很不幸，做的板子PS端GPIO所剩無幾。
• 利用賽靈思的AXI Quad SPI ?IP在PL端去實(shí)現(xiàn)。折騰一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)這個(gè)IP貌似不支持三線制SPI。
• 自己用verilog HDL寫個(gè)IP掛在AXI總線上，實(shí)現(xiàn)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這個(gè)方案可以。可惜，比較懶，不想重新造輪子！
• .......

經(jīng)過一番折騰，在ADI官方發(fā)現(xiàn)了一個(gè)寶藏：

https://wiki.analog.com/resources/fpga/peripherals/spi_engine

官方實(shí)現(xiàn)了SPI engine IP 框架:

• 執(zhí)行模塊 Execution Module：主模塊，用于處理SPI引擎命令流并實(shí)現(xiàn)SPI總線接口邏輯
• AXI接口模塊：內(nèi)存映射軟件可訪問SPI引擎命令流和/或卸載核心的接口
• Offload模塊：存儲(chǔ)SPI引擎命令流，由外部事件觸發(fā)執(zhí)行
• 互連Interconnect 模塊：將多個(gè)SPI Engine命令流連接到SPI Engine執(zhí)行模塊

其verilog HDL代碼庫位于：

https://github.com/analogdevicesinc/hdl.git

PS/PL設(shè)計(jì)

下好hdl庫，按照向?qū)靘ake,執(zhí)行對應(yīng)的tcl腳本，生成了hdl庫相應(yīng)所需文件。然后按照需要設(shè)計(jì)以下block設(shè)計(jì)：

• 將PS端的DDR以及PL所需的時(shí)鐘FCLK_CLK0配置好，這里輸出100MHz
• 從ip庫里拉出來axi_spi_engine_v1_0以及spi_engine_execution_v1_0,按照上面圖連好線
• 連好AXI接口，以及相應(yīng)的復(fù)位、時(shí)鐘信號(hào)等
• 設(shè)置需要幾個(gè)片選信號(hào)，可根據(jù)需要幾個(gè)從芯片可以設(shè)置多個(gè)片選信號(hào)，比如我設(shè)置2個(gè)，這樣在linux設(shè)備樹上就對應(yīng)掛載兩個(gè)設(shè)備。

然后在頂層設(shè)計(jì)文件進(jìn)行例化，這里問題來了，spi_1還是4個(gè)腳，如果就這樣拉出到PL端的引腳上，還是四線制，那么該怎么改呢？

看看wiki中圖以及描述，發(fā)現(xiàn)需要還需要在轉(zhuǎn)一下：

• 如果是三線模式時(shí)，three_wire會(huì)變成1，這個(gè)通過AXI總線命令傳過來。
• sdo_t則可以控制sdo內(nèi)部信號(hào)是否輸出，如果門控關(guān)斷則mosi腳變成高阻，可以采樣外部信號(hào)，從而傳入可以通過2路選擇器傳入sdi轉(zhuǎn)而為讀信號(hào)。

從而添加如下代碼在頂層文件：

assign?phy_sclk?=?spi_sclk;
assign?phy_cs?=?spi_cs;
assign?phy_mosi?=?spi_sdo_t???1'bz?:?spi_sdo;
assign?spi_sdi?=?spi_three_wire???phy_mosi?:?phy_miso;

比如，我是這樣寫的：

`timescale?1ns?/?100ps
//頂層設(shè)計(jì)文件
module?system_top?(
//DDR信號(hào)
inout???[14:0]??ddr_addr,
inout???[?2:0]??ddr_ba,
inout???????????ddr_cas_n,
inout???????????ddr_ck_n,
inout???????????ddr_ck_p,
inout???????????ddr_cke,
inout???????????ddr_cs_n,
inout???[?3:0]??ddr_dm,
inout???[31:0]??ddr_dq,
inout???[?3:0]??ddr_dqs_n,
inout???[?3:0]??ddr_dqs_p,
inout???????????ddr_odt,
inout???????????ddr_ras_n,
inout???????????ddr_reset_n,
inout???????????ddr_we_n,
//必須的一些PS信號(hào)
inout???????????fixed_io_ddr_vrn,
inout???????????fixed_io_ddr_vrp,
//54個(gè)PS?MIO引腳
inout???[53:0]??fixed_io_mio,
//PS時(shí)鐘引腳
inout???????????fixed_io_ps_clk,
//PS上電復(fù)位信號(hào)
inout???????????fixed_io_ps_porb,
//PS?SRSTB信號(hào)
inout???????????fixed_io_ps_srstb,
output?[1:0]???????spi_0_cs,
output?????????????spi_0_sclk,
input??????????????spi_0_sdi,
output?????????????spi_0_sdo,
);
??
wire?ip_spi_0_cs;
wire?ip_spi_0_sclk;
wire?ip_spi_0_sdi;
wire?ip_spi_0_sdo;
wire?ip_spi_0_three_wire;???
wire?ip_spi_0_sdo_t;

assign?spi_0_cs?=?ip_spi_0_cs;
assign?spi_0_sclk?=?ip_spi_0_sclk;
//如此處理，這樣引出的SPI可以兼容3線制以及4線制SPI
assign?spi_0_sdo?=?ip_spi_0_sdo_t???1'bz?:?ip_spi_0_sdo;
assign?ip_spi_0_sdi?=?ip_spi_0_three_wire???spi_0_sdo?:?spi_0_sdi;

//例化block設(shè)計(jì)
ip_block_wrapper?i_system_wrapper?(
????//DDR以及常規(guī)MIO、時(shí)鐘、復(fù)位等信號(hào)
????.DDR_addr(ddr_addr),
????.DDR_ba(ddr_ba),
????.DDR_cas_n(ddr_cas_n),
????.DDR_ck_n(ddr_ck_n),
????.DDR_ck_p(ddr_ck_p),
????.DDR_cke(ddr_cke),
????.DDR_cs_n(ddr_cs_n),
????.DDR_dm(ddr_dm),
????.DDR_dq(ddr_dq),
????.DDR_dqs_n(ddr_dqs_n),
????.DDR_dqs_p(ddr_dqs_p),
????.DDR_odt(ddr_odt),
????.DDR_ras_n(ddr_ras_n),
????.DDR_reset_n(ddr_reset_n),
????.DDR_we_n(ddr_we_n),
????.FIXED_IO_ddr_vrn(fixed_io_ddr_vrn),
????.FIXED_IO_ddr_vrp(fixed_io_ddr_vrp),
????.FIXED_IO_mio(fixed_io_mio),
????.FIXED_IO_ps_clk(fixed_io_ps_clk),
????.FIXED_IO_ps_porb(fixed_io_ps_porb),
????.FIXED_IO_ps_srstb(fixed_io_ps_srstb),???????

??????//連至頂層
????.spi_0_cs(ip_spi_0_cs),
????.spi_0_sclk(ip_spi_0_sclk),
????.spi_0_sdi(ip_spi_0_sdi),
????.spi_0_sdo(ip_spi_0_sdo),
????.spi_0_sdo_t(ip_spi_0_sdo_t),
????.spi_0_three_wire(ip_spi_0_three_wire)?????
??);????
endmodule

Linux端配置

首先需要配置設(shè)備樹：

&axi_spi_engine_0?{
????status?=?"okay";
????//配置SPI控制器匹配字段，這樣會(huì)自動(dòng)編譯ADI?提供的SPI?控制器驅(qū)動(dòng)
????compatible?=?"adi,axi-spi-engine-1.00.a";
????spi-rx-bus-width?=?<1>;
????spi-tx-bus-width?=?<1>;?
????bits-per-word?=?<8>;
????interrupt-parent?=?<&intc>;
????interrupts?=?<0?30?4>;??????
????num-cs?=?<4>;

????#address-cells?=?<0x1>;
?? ?#size-cells?=?<0x0>;????
????ad9467_0:?ad9467@0?{
????????compatible?=?"adi,ad9467";
????????reg?=?<0>;
????????spi-max-frequency?=?<500000>;
????????#address-cells?=?<1>;
????????#size-cells?=?<1>;

????????spi-rx-bus-width?=?<1>;?
????????spi-tx-bus-width?=?<1>;
????????bits-per-word?=?<8>;
????????spi-3wire;????????
????};

????ad9467_1:?ad9467@1?{
????????compatible?=?"spidev";
????????reg?=?<1>;
????????spi-max-frequency?=?<500000>;
????????#address-cells?=?<1>;
????????#size-cells?=?<1>;????????
?
????????spi-rx-bus-width?=?<1>;?
????????spi-tx-bus-width?=?<1>;
????????bits-per-word?=?<8>;
????????//這個(gè)字段需要使能，表示該設(shè)備是三線制
????????spi-3wire;???????????
????};??????
};

基于ADI提高的Linux代碼庫：

https://github.com/analogdevicesinc/Linux

配置相應(yīng)的SPI控制器驅(qū)動(dòng)，然后編譯部署。由于該demo涉及些項(xiàng)目其他的技術(shù)細(xì)節(jié)，這里就不描述了，來看看療效：

看這個(gè)波形或許會(huì)有朋友問：為啥數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，SDO/SDI復(fù)用腳波形有一個(gè)上升的漸變暫態(tài)過程，這是由于此時(shí)從端芯片從輸出態(tài)轉(zhuǎn)為高阻態(tài)，而主端芯片此時(shí)也是高阻態(tài)，由于線路電容效應(yīng)故而會(huì)有這樣一個(gè)變化過程。

總結(jié)一下

利用ADI提高的IP庫，不用敲一行代碼可以很容易就實(shí)現(xiàn)了三線制SPI，香吧？該方案可以同時(shí)兼容三線制/四線制SPI，是一個(gè)成熟穩(wěn)定的方案。為什么ZYNQ芯片這樣一款SOC芯片以及Linux會(huì)被人喜歡，由此可見一斑。因?yàn)橛写罅砍墒斓妮喿涌晒┦褂茫槐刈约喝ピ燧喿?。從而加速產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度，使用戶可以專注于自己需要解決的應(yīng)用問題。這里有一個(gè)tips拿走不謝：

在做應(yīng)用開發(fā)時(shí)，首先梳理出需求，要干什么？去往哪里？但別急著擼代碼，先搜搜看有沒有現(xiàn)成的輪子，拒絕重新造輪子！一定會(huì)加速開發(fā)進(jìn)程。但也需要注意一下開源資源是否可以免費(fèi)商用，注意知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP問題！