串行外圍接口SPI功能模塊的設(shè)計(jì)

SPI(Serial Peripheral Interface)串行外圍接口是一種3線同步串行全雙工通信接口，它具有電路簡(jiǎn)單，速度陜，通信可靠等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)大量的新型器件如LCD模塊、FLASH、EEPROM存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備都采用了SPI接口，新型的單片機(jī)一般都已將SPI接口控制器集成在單片機(jī)內(nèi)部，這樣能夠大大降低軟件的工作量。

由于SPI系統(tǒng)總線一共只需3～4位數(shù)據(jù)線和控制線即可實(shí)現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I／O器件進(jìn)行接口，而擴(kuò)展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)線、8—16位地址線、2～3位控制線，因此，采用SPI總線接口可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I／0口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性，使用SPI總線可以增加應(yīng)用系統(tǒng)接口器件的種類，提高應(yīng)用系統(tǒng)的性能。

2 SPI模塊的接口信號(hào)、時(shí)序要求及工作模式

2．1 內(nèi)部總線接口

在本設(shè)計(jì)中，內(nèi)部總線接口采用的是AMBA總線3．0協(xié)議，具有較好的可移植性和可復(fù)用性。SPI是APB總線上的Slave模塊。APB總線的時(shí)序完全遵照(ABMA Specification)(Rev 3．0)。因此此SPI模塊支持3種DMA操作，除了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線外，還有3根與DMA模塊連接的中斷請(qǐng)求信號(hào)線。

2．2 SPI總線接口及時(shí)序

SPI串行接口使用4條線可與多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口：串行時(shí)鐘線SCLK，主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO，主機(jī)輸出／從機(jī)輸人數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SSN。SCLK是主機(jī)時(shí)鐘線，為MISO數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時(shí)鐘信號(hào)。

在正常工作的時(shí)候，主機(jī)的4個(gè)引腳應(yīng)和從機(jī)對(duì)應(yīng)的4個(gè)引腳分別相連。

SPI模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)的工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘的極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘的極性(CPOL)對(duì)傳輸?shù)膮f(xié)議沒(méi)有重大影響。如果CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；相反，如果CPOL=l，串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位(CPHA)能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。SPI接口時(shí)序如圖1、圖2所示。

圖1 CPOL=0 CPHA =0

圖2 CPOL=0 CPHA=1

2．3 工作模式

SPI有兩種工作模式，可以通過(guò)外部引腳跳線的方式來(lái)切換。

主模式：發(fā)送和接收可以同時(shí)工作在主模式下。

主模式的顯著特征是不論是發(fā)送還是接收始終有SCLK信號(hào)，發(fā)送操作是由向發(fā)送FIFO中寫(xiě)數(shù)據(jù)而觸發(fā)的。在主模式下，時(shí)鐘信號(hào)的1次作用對(duì)應(yīng)一位數(shù)據(jù)的發(fā)送(MOSI)和另一位數(shù)據(jù)的接收(MISO)。

如圖3所示，在主片中數(shù)據(jù)從移位寄存器中自右向左發(fā)出送到從片(MOSI)，同時(shí)從片中的數(shù)據(jù)自左向右發(fā)到主片(MISO)，經(jīng)過(guò)8位時(shí)鐘周期完成1個(gè)字節(jié)的發(fā)送。輸入字節(jié)保留在移位寄存器中，此時(shí)SPI INT FLAG位自動(dòng)置位(如果有中斷設(shè)置，則產(chǎn)生中斷)，移位寄存器的數(shù)據(jù)將被鎖存到接收FIFO中，此后對(duì)接收FIFO的讀操作將把數(shù)據(jù)讀出。

從模式：發(fā)送和接收同時(shí)工作在從模式下。從模式的顯著特征是：不論是發(fā)送還是接收始終必須在SCLK信號(hào)作用下進(jìn)行，并且SSN信號(hào)必須有效。

當(dāng)SSN信號(hào)無(wú)效時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送無(wú)法進(jìn)行并且輸入的數(shù)據(jù)視為無(wú)效。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程見(jiàn)圖3所示，與主模式下基本相似，只是移位寄存器的數(shù)據(jù)移出和輸入方向與之相反。

圖3 主片和從片發(fā)送和接收操作

3 SPI模塊功能設(shè)計(jì)

3．1 模塊劃分

根據(jù)功能定義及SPI的工作原理，將整個(gè)SPI IP劃分為8個(gè)子模塊：APB接口模塊、時(shí)鐘分頻模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO模塊、接收數(shù)據(jù)FIFO模塊、寄存器控制模塊、命令解析模塊、中斷處理模塊及發(fā)送接收數(shù)據(jù)模塊。整個(gè)SPI模塊劃分結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

在這些模塊中，Tx—FIFO和Rx—FIFO用來(lái)做接收發(fā)送數(shù)據(jù)的FIFO。DMA／INT是中斷控制模塊，通知MCU或者DMA發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的FIFO。CMD ANALYSIS模塊用來(lái)解析在從模式下Host發(fā)過(guò)來(lái)的命令。CTRl/Register用來(lái)放置寄存器，供MCU讀寫(xiě)配置SPI的各種參數(shù)。Shifter用來(lái)做串并轉(zhuǎn)換，收發(fā)送數(shù)據(jù)。Clock模塊用來(lái)產(chǎn)生主模式下時(shí)鐘。

3．2 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)深入分析SPI的四種傳輸協(xié)議可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)一種協(xié)議，只要對(duì)串行同步時(shí)鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就能得到其余的三種協(xié)議。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，規(guī)定如果要連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)，在兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸之問(wèn)插入一個(gè)串行時(shí)鐘的空閑等待，這樣狀態(tài)機(jī)只需兩種狀態(tài)(空閑和工作)就能正確工作。相比其它設(shè)計(jì)，在基本不降低性能的前提下，思路比較精煉、清晰，能夠大大縮短寫(xiě)代碼的時(shí)間，降低出錯(cuò)率。

此SPI模塊有兩種工作方式：查詢方式和DMA方式。查詢方式通過(guò)處理器核監(jiān)視SPI的狀態(tài)寄存器來(lái)獲取其所處的狀態(tài)，從而決定下一步動(dòng)作。

DMA方式由DMA模塊控制數(shù)據(jù)在內(nèi)存和SPI間的交換，而不需要處理器核的參與，有效提高了總線利用率。

外部MCU可以通過(guò)和內(nèi)部MCU通訊的方式，把從模式的SPI配置成可以解析命令的模式，這樣外部主模式的SPI可以在SSN低電平的時(shí)候連續(xù)傳輸多位數(shù)據(jù)，在下降沿的第一個(gè)數(shù)據(jù)被認(rèn)為是命令。從模式的SPI可以解析這些命令然后做相應(yīng)的操作。這些操作主要包括，清除接收FIFO或者發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)，選擇MCU或者DMA來(lái)作為數(shù)據(jù)交互的對(duì)象等，可以大大節(jié)省和MCU交互所需要的帶寬。

作為主要組成部分的寄存器控制模塊和SPI核心模塊采用同步電路設(shè)計(jì)，它們之間的通訊采用異步電路設(shè)計(jì)。這些主要是考慮到SPI的帶寬通過(guò)MCU的控制是可調(diào)的。SPI核心部分的時(shí)鐘頻率可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)多種帶寬，增加了本設(shè)計(jì)SPI的靈活性。

3．3 電路實(shí)現(xiàn)

為了保證RTL代碼的正確性，對(duì)IP的功能進(jìn)行全面的仿真驗(yàn)證。仿真包括RTL級(jí)和門(mén)級(jí)仿真驗(yàn)證。RTL級(jí)仿真是將代碼文件調(diào)入硬件描述語(yǔ)言的仿真軟件進(jìn)行功能仿真，門(mén)級(jí)仿真包括布局布線前和布局布線后仿真。布局布線后仿真，獲得精確的時(shí)延參數(shù)。將RTL級(jí)代碼轉(zhuǎn)換成門(mén)級(jí)網(wǎng)表，0．13um工藝標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中進(jìn)行功能驗(yàn)證，首先需要通過(guò)寫(xiě)測(cè)試矢量的方式給需要進(jìn)行功能測(cè)試的模塊加激勵(lì)，然后通過(guò)觀察模塊的輸出結(jié)果，判斷模塊的功能是否正確。但是在寫(xiě)測(cè)試矢量時(shí)，測(cè)試工程師是在自己對(duì)模塊功能理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。這樣就存在一個(gè)問(wèn)題，測(cè)試矢量對(duì)模塊的激勵(lì)有可能是不完備的，還有可能是錯(cuò)誤的，但測(cè)試矢量的激勵(lì)并沒(méi)有使錯(cuò)誤體現(xiàn)出來(lái)；也有可能模塊的功能是正確的，誤報(bào)錯(cuò)誤使驗(yàn)證過(guò)程變得非常低效。為避免以上問(wèn)題，對(duì)本設(shè)計(jì)模塊的功能驗(yàn)證中，采用系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證環(huán)境。該環(huán)境由IP總線、驅(qū)動(dòng)器、監(jiān)視器、外部模塊和協(xié)調(diào)它們工作的腳本組成。組成系統(tǒng)的各模塊可以按需要加人環(huán)境。每次驗(yàn)證過(guò)程就是相應(yīng)的激勵(lì)作用于環(huán)境的過(guò)程。驗(yàn)證結(jié)果由環(huán)境產(chǎn)生、檢驗(yàn)和輸出。以保證測(cè)試矢量的完備性和正確性。

該驗(yàn)證環(huán)境在LINUX操作系統(tǒng)下，仿真器采用Cadence公司的Nc—verilog，支持C／C++、Verilog和VHDL協(xié)同仿真，可以直接把SPI模塊掛在驗(yàn)證環(huán)境中，通過(guò)Verilog的$readmemh任務(wù)讀入軟件激勵(lì)進(jìn)行驗(yàn)證。

在系統(tǒng)時(shí)鐘為36MHz的情況下，圖5(a)給出了CPOL=0，CPHA=1時(shí)，發(fā)送6位數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果。圖5(b)給出了在CPOL=0，CPHA=0的情況下，接收6位數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果。

圖5 仿真結(jié)果

這兩個(gè)仿真結(jié)果說(shuō)明本設(shè)計(jì)完全支持4種SPI傳輸協(xié)議，而且能夠以最大的速率無(wú)縫傳輸數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的SPI可作為IP核嵌入監(jiān)控系統(tǒng)SOC芯片中。芯片通過(guò)流片驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到了原設(shè)計(jì)的要求，通過(guò)板級(jí)測(cè)試，芯片中SPI能支持4種傳輸協(xié)議，工作的最高頻率可達(dá)18M bps，在一秒鐘內(nèi)能夠抓圖或者回顯l5幀圖像，達(dá)到業(yè)內(nèi)較高水平。本設(shè)計(jì)中的不足之處是沒(méi)有做數(shù)據(jù)校驗(yàn)，隨著市場(chǎng)需求的提高，可在設(shè)計(jì)中增加CRC校驗(yàn)以增加數(shù)據(jù)的正確性，提高系統(tǒng)效率。