一、SPI協議

1、SPI協議概括

SPI（Serial Peripheral Interface）——串行外圍設備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應用在EEPROM、FLASH、實時時鐘，AD轉換器以及數字信號處理器和數字信號解碼器之間。SPI是一種高速，全雙工，同步的通信總線，在芯片上只占用四根線（CS、MOSI、MISO、SCK），極大的節約了芯片的引腳。

2、SPI物理層

SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或者多個從設備。圖1是一個主設備一個從設備的物理連接示意圖。圖中SCK是由主設備發送給從的時鐘，該時鐘決定了主設備發送數據的速率；MOSI是主設備發送給從設備的數據；MISO是從設備發送給主設備的數據；CS是片選信號，即只有片選信號為預先規定的使能信號時（高電平或者低電平）對此芯片的操作才有效。

圖1 點對點通信

圖2 一主多從通信

3、SPI協議層

SPI通信是四線串行通信，也就是說數據是一位一位傳輸的。這也即是SCK存在的意義，SCK提供通信所需的時鐘脈沖，MOSI和MISO則基于此時鐘進行數據傳輸。數據輸出通過MOSI線，數據在時鐘的上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或者上升沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，至少在8次時鐘信號的改變（上升沿和下降沿為一次），就可以實現8位數據的傳輸。

需要注意的是，SCK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少要有一個主控設備。這樣傳輸的特點：此傳輸方式有一個優點，與普通串行通信不同，普通的串行通信一次連續傳送至少8位數據，而SPI允許數據一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數據。也就是說，主設備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通信的控制。SPI協議還可以實現數據的交換：因為SPI的數據輸入和輸出線獨立所以允許同時完成數據的輸入和輸出。不同的SPI設備的實現方式不盡相同，主要時改變和采集數據的時間不同，在時鐘信號上升沿或下降沿采集有不同的定義。

SPI總線有四種工作方式（SPI0、SPI1、SPI2、SPI3），其中使用的最為廣泛的是SPI0和SPI3方式。

ＳＰＩ模塊為了和外設進行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性（CPOL）對傳輸協議沒有重大的影響。如果CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態為高電平。時鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協議之一進行數據傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升沿或下降沿）數據被采集；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升沿或下降沿）數據被采集。SPI主模塊和與之通信的外設時鐘相位和極性應該一致。

SPI時序圖詳解：SPI接口有四種不同的數據傳輸時序，取決于CPOL和CPHA的組合。圖3中給出了這四種時序，時序與CPOL和CPHA的關系也可以從圖中看出。

圖3 SPI四種時序

圖3中可以看出，CPOL是用來決定SCK時鐘信號空閑時的電平。CPOL=0，SCK空閑時為低電平；CPOL=1，SCK空閑時為高電平。CPHA是用來決定采樣輸入數據MISO時刻，CPHA = 0，在第一個SCK時鐘沿進行數據采樣；CPHA=1，在第二個SCK時鐘沿進行數據采集。（工作模式的確定：由SLAVE的工作模式確定MASTER的工作模式）。

二、SPI協議使用舉例

這里通過使用SPI3來實現主機發送數據。

圖4 SPI3 工作模式的主機發送數據

在SPI3模式下，CPOL = 1，CPHA = 1。SCK在空閑時為高電平，在SCK的第二個時鐘沿從機進行數據的采集（只考慮主機發送情況），在SCK的第一個時鐘沿發送數據MOSI。

三、使用verilog實現SPI3工作模式的時序

1、SPI3模式下工作過程如下圖所示，

圖5 SPI發送數據過程

接下來分析圖5所示SPI發送數據的過程，首先在復位信號到來時，進入s0狀態，在s0狀態計數器和分頻器模塊加載初始值，如果發送數據開始信號spi_start有效進入s1狀態，s1狀態加載待發送的數據，同時計數器計數計數，分頻器開始工作，如果i=1，進入s2狀態，s2狀態主要用來發送數據，如果i為偶數，進入s3狀態，該狀態是用來采集數據，由于只考慮發送，因此此模塊不進行數據采集工作，如果i=15，進入s4狀態，否則如果i為奇數，則進入s2狀態。；在s4狀態，發送最后一位數據，如果i=16，進入s5狀態，此時整個SPI時序模擬完成。

2、數據路徑

由圖5可知，構成SPI發送時序的基本電路塊包括計數器，移位寄存器和觸發器模塊。

圖6 數據路徑

圖6中，左移寄存器將8位的待發送的數據spi_data轉換為串行的數據mosi一位一位的發送出去，計數器用來計數發送數據的個數，觸發器用來產生分頻后的sck時鐘信號。

3、控制信號

圖7 控制信號

圖7中給出了各個狀態哪些控制信號應該有效，參照圖5圖6圖7可以理清spi整個發送數據的過程。

四、 verilog描述

接下來使用verilog來描述圖6所示的電路，控制信號可根據圖7進行描述。

spi發送模塊（該模塊主要描述控制信號）：

module SPI_SEND(input clk_50m,

input rst_n,

input spi_start,

input[7:0] spi_data,

output reg spi_done,

output sck,

output reg cs,

output mosi

);

reg load_c;

reg en_c;

reg load_a;

reg en_a;

reg load_b;

reg en_b;

wire [4:0]i;

parameter [4:0] s0 = 'b000001;

parameter [4:0] s1 = 'b000010;

parameter [4:0] s2 = 'b000100;

parameter [4:0] s3 = 'b001000;

parameter [4:0] s4 = 'b010000;

parameter [4:0] s5 = 'b100000;

reg [5:0]current_state = 'd0;

reg [5:0]next_state = 'd0;

always @(posedge clk_50m or negedge rst_n)

if(!rst_n)

current_state <= s0;

else

current_state <= next_state;

always @(*)

case(current_state)

s0:begin

if(spi_start)

next_state = s1;

else

next_state = s0;

end

s1:begin/該狀態加載待發送的數據

if(i == 'd1)

next_state = s2;

else

next_state = s1;

end

s2:begin1,3,5,7,9,11,13,15

if(i[0] == 1'b0)//

next_state = s3;

else

next_state = s2;

end

s3:begin2,4,6,8,10,12,14,16

if(i == 'd15)

next_state = s4;

else if(i[0] == 'd1)

next_state = s2;

else

next_state = s3;

end

s4:begin

if(i == 'd16)

next_state = s5;

else

next_state = s4;

end

s5:begin

if(i == 'd0)

next_state = s0;

else

next_state = s5;

end

default:next_state = s0;

endcase

always @(*)

case(current_state)

s0:begin///空閑狀態

load_c = 'd1;

en_c = 'd0;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd1;

en_b = 'd0;

spi_done = 'd0;

cs = 'd1;

end

s1:begin加載待發送數據狀態

load_c = 'd0;

en_c = 'd1;

load_a = 'd1;

en_a = 'd0;

load_b = 'd0;

en_b = 'd1;

spi_done = 'd0;

cs = 'd0;

end

s2:begin第一個時鐘沿發送數據

load_c = 'd0;

en_c = 'd1;

load_a = 'd0;

en_a = 'd1;

load_b = 'd0;

en_b = 'd1;

spi_done = 'd0;

cs = 'd0;

end

s3:begin第二個時鐘沿采樣數據

load_c = 'd0;

en_c = 'd1;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd0;

en_b = 'd1;

spi_done = 'd0;

cs = 'd0;

end

s4:begin數據發送完畢

load_c = 'd0;

en_c = 'd1;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd0;

en_b = 'd0;

spi_done = 'd0;

cs = 'd0;

end

s5:begin

load_c = 'd0;

en_c = 'd0;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd0;

en_b = 'd0;

spi_done = 'd1;

cs = 'd1;

end

default:begin

load_c = 'd1;

en_c = 'd0;

load_a = 'd0;

en_a = 'd0;

load_b = 'd1;

en_b = 'd0;

spi_done = 'd0;

cs = 'd1;

end

endcase

// Instantiate the module

count_num count_num (

.clk_50m(clk_50m),

.load_c(load_c),

.en_c(en_c),

.count(i)

);

// Instantiate the module

left_shifter left_shifter (

.clk_50m(clk_50m),

.load_a(load_a),

.en_a(en_a),

.spi_data_in(spi_data),

.mosi(mosi)

);

// Instantiate the module

sck_generate sck_generate (

.clk_50m(clk_50m),

.load_b(load_b),

.en_b(en_b),

.sck(sck)

);

endmodule

計數器電路描述：

module count_num(input clk_50m,

input load_c,

input en_c,

output reg[4:0]count

);

always @(posedge clk_50m)

if(load_c)

count <= 'd0;?

else if(en_c)begin

if(count == 'd16)

count <= 'd0;

else

count <= count + 'd1;

end

else

count <= count;

endmodule

移位寄存器電路描述：

module left_shifter(input clk_50m,

input load_a,

input en_a,

input [7:0]spi_data_in,

output mosi

);

reg [7:0]data_reg;

always @(posedge clk_50m)

if(load_a)

data_reg <= spi_data_in;

else if(en_a)

data_reg <= {data_reg[6:0],1'b0};

else

data_reg <= data_reg;

assign mosi = data_reg[7];

endmodule

觸發器電路描述：

//SPI3模式下工作，SCK空閑時為高電平

//

module sck_generate(input clk_50m,

input load_b,

input en_b,

output reg sck

);

always @(posedge clk_50m)

if(load_b)

sck <= 'd1;

else if(en_b)

sck <= ~sck;

else

sck <= 'd1;

endmodule

仿真激勵文件：

module test;

// Inputs

reg clk_50m;

reg rst_n;

reg spi_start;

reg [7:0]spi_data;

// Outputs

wire spi_done;

wire sck;

wire cs;

wire mosi;

// Instantiate the Unit Under Test (UUT)

SPI_SEND uut (

.clk_50m(clk_50m),

.rst_n(rst_n),

.spi_start(spi_start),

.spi_done(spi_done),

.sck(sck),

.cs(cs),

.spi_data(spi_data),

.mosi(mosi)

);

initial begin

// Initialize Inputs

clk_50m = 0;

rst_n = 0;

spi_start = 0;

spi_data = 'd0;

// Wait 100 ns for global reset to finish

#100;

// Add stimulus here

end

always #5 clk_50m = ~clk_50m;

reg [4:0] count = 'd0;

always @(posedge clk_50m)

if(count == 'd20)

count <= 'd20;

else

count <= count + 'd1;

always @(posedge clk_50m)

if(count <= 'd10)

rst_n <= 'd0;

else

rst_n <= 'd1;

reg [9:0]cnt = 'd0;

always @(posedge clk_50m)

if(spi_done)

cnt <= 'd0;

else if(cnt == 'd500)

cnt <= 'd500;

else

cnt <= cnt + 'd1;

always @(posedge clk_50m)

if(cnt=='d499)begin

spi_start <= 'd1;

spi_data <= 'b10101010;

end

elsebegin

spi_start <= 'd0;

spi_data <= spi_data;

end

endmodule

使用ISIM仿真結果：

圖8 仿真結果

圖8中待發送的數據spi_data[7:0]=10101010，由于使用的是SPI3模式（CPOL=1，CPHA=1），此模式下SCK空閑時為1，在SCK第一個時鐘沿進行數據發送（即圖中SCK下降沿進行數據發送），從圖中波形可以看出 ，在cs為低時，mosi被一位一位的送出（高位先輸出）。

審核編輯 ：李倩