基于FPGA的可復(fù)用通信接口設(shè)計(jì)

1、引言

長(zhǎng)期以來(lái)，外圍設(shè)備與主機(jī)CPU速度之間的不匹配始終困擾著人們，影響了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更迅速的發(fā)展。 隨著計(jì)算機(jī)處理能力及存儲(chǔ)規(guī)模的迅速增長(zhǎng)，這個(gè)問(wèn)題表現(xiàn)得更加突出。雖然已經(jīng)采取了各種軟、硬件的 方法，不斷地改善著CPU與I/O設(shè)備之間的接口性能。然而，在許多應(yīng)用中接口問(wèn)題依然是制約系統(tǒng)性能的 瓶頸。對(duì)于特定的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者面對(duì)紛繁蕪雜的接口標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)系統(tǒng)所需的成本及功能選擇合適的標(biāo) 準(zhǔn)產(chǎn)品，這可能導(dǎo)致接口標(biāo)準(zhǔn)沖突和引起互用性問(wèn)題;或許重新選擇與接口兼容的標(biāo)準(zhǔn)器件，但又可能會(huì) 造成不滿足功能需要或成本要求等。

FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展使得接口問(wèn)題有了好的解決方案。例如，現(xiàn)有的高性能接口IP及高速物理I/O的 FPGA，可滿足10Gb/s以上的通信系統(tǒng)的要求;而且用FPGA解決接口不兼容器件間的通信問(wèn)題。因此本文 將提出一種新的基于FPGA 的SPI 接口設(shè)計(jì)方法。

SPI(Serial Peripheral Interface)串行外設(shè)接口總線[1]是一種同步全雙工串行通信接口總線。由于其連線 簡(jiǎn)單使用方便，故得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際開發(fā)應(yīng)用中，若主控制器無(wú)SPI接口或需要與多個(gè)具有SPI接口的 外設(shè)通信，就要使用主控制器的I/O口通過(guò)軟件來(lái)模擬，這就在很大程度上限制了其應(yīng)用且給數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái) 不便。在FPGA技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，解決這個(gè)問(wèn)題最方便的辦法就是集成一個(gè)SPI核到芯片上。

這里根據(jù)業(yè)界通用的SPI總線的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一種可復(fù)用的高速SPI總線。設(shè)計(jì)過(guò)程中很多變量都采用參 數(shù)形式，具體應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)根據(jù)實(shí)際需要更改參數(shù)即可，充分體現(xiàn)了可復(fù)用性。

2、 SPI 總線原理

SPI 總線由四根線組成：串行時(shí)鐘線(SCK)，主機(jī)輸出從機(jī)輸入線(MOSI)，主機(jī)輸入從機(jī)輸出線(MISO)， 還有一根是從機(jī)選擇線(SS)，它們?cè)谂c總線相連的各個(gè)設(shè)備之間傳送信息，其連接方式如圖1。

SPI 總線中所有的數(shù)據(jù)傳輸由串行時(shí)鐘SCK 來(lái)進(jìn)行同步，每個(gè)時(shí)鐘脈沖傳送1 比特?cái)?shù)據(jù)。SCK 由主機(jī)產(chǎn) 生，是從機(jī)的一個(gè)輸入。時(shí)鐘的相位(CPHA)與極性(CPOL)可以用來(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸。CPOL=“0”表示SCK 的靜止?fàn)顟B(tài)為低電平，CPOL =“1”則表示SCK 靜止?fàn)顟B(tài)為高電平。時(shí)鐘相位(CPHA)可以用來(lái)選擇兩種 不同的數(shù)據(jù)傳輸模式。如果CPHA =“0”，數(shù)據(jù)在信號(hào)SS 聲明后的第一個(gè)SCK 邊沿有效。而當(dāng)CPHA=“1” 時(shí), 數(shù)據(jù)在信號(hào)SS聲明后的第二個(gè)SCK 邊沿才有效。因此，主機(jī)與從機(jī)中SPI 設(shè)備的時(shí)鐘相位和極性必須 要一致才能進(jìn)行通信。

SPI 可工作在主模式或從模式下。在主模式下，每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收需要1 次時(shí)鐘作用;而在從 模式下， 每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時(shí)鐘信號(hào)之后才發(fā)送/接收。1個(gè)典型的SPI系統(tǒng)包括一個(gè)主MCU和1 個(gè)或幾個(gè)從外圍器件。

3、設(shè)計(jì)原理

Verilog HDL 是一種硬件描述語(yǔ)言,他可以用來(lái)進(jìn)行各種級(jí)別的邏輯設(shè)計(jì),可以用來(lái)進(jìn)行數(shù)字邏輯系統(tǒng) 的仿真驗(yàn)證、時(shí)序分析和邏輯綜合等,應(yīng)用十分廣泛。本文使用Verilog設(shè)計(jì) SPI接口模塊，實(shí)現(xiàn)可IP復(fù)用 的通用結(jié)構(gòu)。根據(jù)SPI總線原理，可用幾個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器與從設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

3.1. 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)SPI 總線的原理，本設(shè)計(jì)的SPI Master同SPI協(xié)議兼容，在主機(jī)側(cè)的設(shè)計(jì)相當(dāng)于wishbone總線[2]規(guī) 范兼容的slave設(shè)備，總體架構(gòu)可分為以下3個(gè)功能模塊[3]：Clock generator、Serial interface、Wishbone interface

3.2. 模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 .時(shí)鐘產(chǎn)生模塊spi-clgen設(shè)計(jì)

SPI時(shí)鐘分頻模塊中的時(shí)鐘信號(hào)的來(lái)源是外部系統(tǒng)提供的時(shí)鐘clk_in，模塊會(huì)根據(jù)各個(gè)不同接口的時(shí)鐘 分頻因子寄存器，產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘輸出信號(hào)clk_out。由于SPI沒(méi)有應(yīng)答機(jī)制，為了能夠保證時(shí)序的可靠性， 特別設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)論對(duì)于奇分頻還是偶分頻都異?？煽康臅r(shí)鐘生成模塊產(chǎn)生傳輸所需要的串行時(shí)鐘。

此模塊重點(diǎn)考慮了奇分頻的情況，為了節(jié)省資源對(duì)奇分頻的做改動(dòng)同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)偶分頻的情況。對(duì)輸入主 時(shí)鐘的同步奇整數(shù)分頻，可以簡(jiǎn)單地用一個(gè)Moore機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，編碼采用Moore機(jī)增加了可靠性。

master核系統(tǒng)輸入時(shí)鐘clk-in通過(guò)divider分頻產(chǎn)生clk-out，通過(guò)改變divider的值，可以實(shí)現(xiàn)任意分頻的時(shí)鐘 輸出[4]。其頻率表達(dá)式如下：

用verilog語(yǔ)言描述時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，用ISE綜合后，其生成電路如圖2所示。

3.2.2. 串行接口模塊spi-shift設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊是SPI的核心模塊。此模塊負(fù)責(zé)把并行進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)串行傳出，串行進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)并行傳出。 本文設(shè)計(jì)的shift與通常的SPI移位模塊設(shè)計(jì)不同，原因在于這里考慮了寄存器的復(fù)用，以使用較少硬件資源 來(lái)增大一次傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w速率。對(duì)于并行進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)位寬比較長(zhǎng)，比如128 位的數(shù)據(jù)時(shí)，為了提高傳輸?shù)乃俣?，本文設(shè)計(jì)工作中犧牲了資源改進(jìn)了以前的保守的SPI模塊。SPI MaSTer 核在主機(jī)側(cè)作為slave設(shè)備接收數(shù)據(jù)，同時(shí)作為master設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。此模塊verilog代碼經(jīng)ISE綜合后如圖3 所示。

3.2.3. 頂層TOP模塊

本文在分析協(xié)議的基礎(chǔ)上建立了高速可復(fù)用SPI總線的基本結(jié)構(gòu)，包括時(shí)鐘生成模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊， 并用上層TOP模塊調(diào)用底層的兩個(gè)模塊。頂層模塊的重要作用就是讓分模塊能夠順利的運(yùn)作起來(lái)。所以此 SPI核的頂層模塊要寫入控制字，通過(guò)狀態(tài)機(jī)控制調(diào)用時(shí)鐘生成模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊正常運(yùn)行。其經(jīng)ISE綜 合后如圖4所示。

圖4.頂層TOP模塊電路

4、仿真與驗(yàn)證

仿真與驗(yàn)證是IP核設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，因?yàn)樗苯雨P(guān)系著IP的可用性。將用verilog 描述好的SPI 接口電路用ISE進(jìn)行綜合，然后用modelsim 軟件進(jìn)行仿真[5]。在建立測(cè)試平臺(tái)時(shí)，首先要建立模擬Wishbone 協(xié)議的master模塊，同時(shí)建立模擬SPI協(xié)議的slave模塊，再將接收/發(fā)送數(shù)據(jù)和地址進(jìn)行比較、校驗(yàn)。因此 Spi-top Testbench總體架構(gòu)可分為：Wishbone master model、SPI master core、SPI slave model 三個(gè)模塊。[!--empirenews.page--]

為了簡(jiǎn)單仿真8bit數(shù)據(jù)傳輸，首先進(jìn)行復(fù)位，然后設(shè)置寄存器，再進(jìn)行寄存器校驗(yàn)，無(wú)誤之后進(jìn)行8bit 數(shù)據(jù)傳輸，在tx上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，rx下降沿接收數(shù)據(jù)，仿真波形如圖5所示。同理可以仿真64bit、128bit等 數(shù)據(jù)傳輸仿真波形。

用ISE軟件進(jìn)行編譯，將生成的網(wǎng)表文件通過(guò)JTAG下載到xilinx 公司的spartan3 系列FPGA運(yùn)行，在ISE 的輔助分析下得到了正確的結(jié)果。

5、結(jié)束語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA 的價(jià)格越來(lái)越便宜， 工作頻率越來(lái)越高，使用FPGA 實(shí)現(xiàn)SPI 通信 接口是切實(shí)可行的。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)過(guò)程中很多變量都采用參數(shù)形式，具體應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)根據(jù)實(shí)際需要更改參 數(shù)即可，充分體現(xiàn)了可復(fù)用性。由于SPI對(duì)傳輸時(shí)序要求非常嚴(yán)格，所以本文工作中設(shè)計(jì)了一種比較可靠， 穩(wěn)定的時(shí)鐘生成模塊，它對(duì)于奇偶分頻的情況分別考慮，從而避免了以往SPI總線中對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘奇分頻時(shí) 會(huì)出現(xiàn)分頻出的時(shí)鐘不穩(wěn)定的問(wèn)題。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用較簡(jiǎn)潔的并串互轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，一次最多可傳輸128位， 速度是遵守SPI協(xié)議的同類器件里較快的。并且從128位到8位可選具體一次要傳輸多少位，有別于以往一 次傳輸?shù)奈粩?shù)為定值的情況。