原创 基于FPGA的SPI控制器

SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200.
SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。
（1）SDO     – 主设备数据输出，从设备数据输入
（2）SDI      – 主设备数据输入，从设备数据输出
（3）SCLK   – 时钟信号，由主设备产生
（4）CS        – 从设备使能信号，由主设备控制
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。 
要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。
在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。
最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。
AT91RM9200的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO 是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。
SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。
二 SPI协议举例

SPI是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。
       假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。
       那么第一个上升沿来的时候 数据将会是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将所存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。
举例：
      假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据 

这样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。其中ss引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。
      SPI 总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束 中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。下图示出SPI总线工作的四种方式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式 (实线表示):
                    
                            
                                                    

                                                                                               SPI总线四种工作方式 
SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。
SPI总线包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。
       SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI接口时序如图3、图4所示。

补充： 
上文中最后一句话：SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。个人理解这句话有2层意思：其一，主设备SPI时钟和极性的配置应该由外设来决定；其二，二者的配置应该保持一致，即主设备的SDO同从设备的SDO配置一致，主设备的SDI同从设备的SDI配置一致。因为主从设备是在SCLK的控制下，同时发送和接收数据，并通过2个双向移位寄存器来交换数据。工作原理演示如下图：

上升沿主机SDO发送数据1，同时从设备SDO发送数据0；紧接着在SCLK的下降沿的时候从设备的SDI接收到了主机发送过来的数据1，同时主机也接收到了从设备发送过来的数据0.

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
USE ieee.std_logic_arith.ALL;
USE ieee.std_logic_unsigned.ALL;

ENTITY spi IS
 PORT
 (
  --全局信号
  NReset   : IN  STD_LOGIC;        --全局复位信号
  Clk    : IN  STD_LOGIC;        --全局时钟
--  ResetWdi  : BUFFER STD_LOGIC;        --看门狗的喂狗信号
  --SPI通讯端口
  SPINcs   : INOUT  STD_LOGIC;        --SPI片选(低有效)
  SPIClk   : INOUT  STD_LOGIC;        --SPI时钟
  SPIMOSI   : INOUT  STD_LOGIC;        --SPI的主出从入
  SPIMISO   : INOUT  STD_LOGIC;        --SPI的主入从出
  --SPI数据寄存器
  SPITxdata  : IN  STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);   --待发送数据
  SPIRxdata  : BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);   --接收数据
  --SPI状态寄存器
  SPIStatus  : BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);   --第5位为trdy(发送器准备好),第6位rrdy(接收器准备好)
  --SPI控制寄存器
  SPIControl  : IN  STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);   --第0位为mode(模式设置，0为主模式,1为从模式),
                   --第1位为clkpolarity(时钟极性，0时为空闲是低，1为空闲是高),
                   --第2位为clkphasic(时钟相位，0时为前沿检测，1为后沿检测),
                   --第3位为datapriority(数据先后，0时为MSB在前，1为LSB在前),
                   --第4位为start(上升沿开始发送数据),
                   --第7位sso(1时始终置cs为1(无效))
  SPILength  : IN  STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);   --数据位数寄存器
  --SPI频率设置寄存器
  SPISetClk  : IN  STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0)   --SPIClk为Clk的SPISetClk分频
 );
END spi;

ARCHITECTURE rtl OF spi IS
 TYPE StateType IS (S0_Wait,S1_Data,S2_Stop);       --状态机定义
 SIGNAL StateIndex  : StateType;         --状态机
 SIGNAL CntCycle  : integer RANGE 0 TO 16383;     --位周期计数器
 SIGNAL CntBit   : integer RANGE 0 TO 15;      --位数计数器
 SIGNAL SPITxdataTmp : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0);    --数据锁存
 SIGNAL CycleBit  : integer RANGE 0 TO 16383;     --位周期
 
 SIGNAL SPIClkCut  : STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0);   --生成SPIClk计数器
 SIGNAL SPIBitCut  : integer RANGE 0 TO 15;     --SPI的数据位数计数
 --看门狗计数
-- SIGNAL CntWdi   : STD_LOGIC_VECTOR(9 DOWNTO 0);
BEGIN

--看门狗的喂狗信号的产生
--CntWdi <= CntWdi + 1 WHEN (Clk'EVENT AND Clk = '1');
--ResetWdi <= CntWdi(9);

--设置SPI的主从模式，若为主模式则设置SPINcs和SPIClk
PROCESS (NReset, Clk)
BEGIN
 IF(NReset = '0') THEN     --复位状态
  SPINcs <= 'Z';
  SPIClk <= 'Z';
  SPIMOSI <= 'Z';
  SPIMISO <= 'Z';
  SPIStatus <= "01100000";
  SPIRxdata <= X"0000";
  StateIndex <= S0_Wait;
  SPIClkCut <= X"00000000";
  SPIBitCut <= 0;
 ELSIF(Clk'EVENT AND Clk = '1') THEN
  IF(SPIControl(0) = '0') THEN   --主模式状态
   SPIMISO <= 'Z';
   CASE StateIndex IS
    WHEN S0_Wait =>
     SPIClk <= SPIControl(1);
     IF(SPIControl(4) = '1') THEN --判断起始标志
      SPINcs <= SPIControl(7);
      IF(SPIControl(3) = '0') THEN  --判断数据MSB还是LSB在前
       SPIMOSI <= SPITxdata(CONV_INTEGER(SPILength) - 1);
      ELSE
       SPIMOSI <= SPITxdata(0);
      END IF;
      SPIRxdata <= X"0000";
      StateIndex <= S1_Data;
      SPIStatus <= "00000000";
     ELSE
      SPINcs <= '1';
      SPIMOSI <= '0';
      StateIndex <= StateIndex;
      SPIStatus <= "01100000";
     END IF;
     SPIBitCut <= 0;
     SPIClkCut <= X"00000000";     
    WHEN S1_Data =>
     SPINcs <= SPIControl(7);
     IF(SPIClkCut  = ('0' & SPISetClk(31 DOWNTO 1)-'1')) THEN --SPIClk前沿
      SPIClk <= NOT SPIClk;
      SPIClkCut <= SPIClkCut + 1;
      IF(SPIControl(2) = '0') THEN   --前沿检测
       SPIMOSI <= SPIMOSI;
       IF(SPIControl(3) = '0') THEN  --判断数据MSB还是LSB在前
        SPIRxdata <= SPIRxdata;
        SPIRxdata(CONV_INTEGER(SPILength) - SPIBitCut - 1) <= SPIMISO;
       ELSE
        SPIRxdata <= SPIRxdata;
        SPIRxdata(SPIBitCut) <= SPIMISO;
       END IF;
      ELSE         --后沿检测
       IF(SPIControl(3) = '0') THEN  --判断数据MSB还是LSB在前
        SPIMOSI <= SPITxdata(CONV_INTEGER(SPILength) - SPIBitCut - 1);
       ELSE
        SPIMOSI <= SPITxdata(SPIBitCut);
       END IF;
       SPIRxdata <= SPIRxdata;
      END IF;
      StateIndex <= StateIndex;
      SPIBitCut <= SPIBitCut;
     ELSIF(SPIClkCut >= (SPISetClk(31 DOWNTO 0) -'1')) THEN  --SPIClk后沿
      SPIClk <= NOT SPIClk;
      SPIClkCut <= X"00000000";
      IF(SPIControl(2) = '0') THEN   --前沿检测
       IF(SPIControl(3) = '0') THEN  --判断数据MSB还是LSB在前
        SPIMOSI <= SPITxdata(CONV_INTEGER(SPILength) - SPIBitCut - 2);
       ELSE
        SPIMOSI <= SPITxdata(SPIBitCut);
       END IF;
       SPIRxdata <= SPIRxdata;       
      ELSE         --后沿检测
       SPIMOSI <= SPIMOSI;
       IF(SPIControl(3) = '0') THEN  --判断数据MSB还是LSB在前
        SPIRxdata <= SPIRxdata;
        SPIRxdata(CONV_INTEGER(SPILength) - SPIBitCut - 1) <= SPIMISO;
       ELSE
        SPIRxdata <= SPIRxdata;
        SPIRxdata(SPIBitCut) <= SPIMISO;
       END IF;
      END IF;
      IF(SPIBitCut >= CONV_INTEGER(SPILength) - 1) THEN
       SPIBitCut <= 0;
       SPIMOSI <= SPIMOSI;
       StateIndex <= S2_Stop;
      ELSE
       SPIBitCut <= SPIBitCut + 1;
       StateIndex <= StateIndex;
      END IF;
     ELSE
      SPIClk <= SPIClk;
      SPIMOSI <= SPIMOSI;
      StateIndex <= StateIndex;
      SPIClkCut <= SPIClkCut + 1;
      SPIBitCut <= SPIBitCut;
      SPIRxdata <= SPIRxdata;
     END IF;
     SPIStatus <= "00000000";
    WHEN S2_Stop =>
     IF(SPIClkCut  = ('0' & SPISetClk(31 DOWNTO 1)-'1')) THEN
      StateIndex <= S0_Wait;
      SPIClkCut <= X"00000000";
     ELSE
      StateIndex <= StateIndex;
      SPIClkCut <= SPIClkCut + 1;
     END IF;
     SPINcs <= SPINcs;
     SPIClk <= SPIClk;
     SPIMOSI <= SPIMOSI;
     SPIStatus <= SPIStatus;
     SPIRxdata <= SPIRxdata;
     SPIBitCut <= 0;
    WHEN OTHERS =>
     SPINcs <= 'Z';
     SPIClk <= 'Z';
     SPIMOSI <= 'Z';
     SPIStatus <= "01100000";
     SPIRxdata <= X"0000";
     StateIndex <= S0_Wait;
     SPIClkCut <= X"00000000";
     SPIBitCut <= 0;
   END CASE;
  ELSE         --从模式状态
   SPINcs <= 'Z';
   SPIClk <= 'Z';
   SPIMOSI <= 'Z';
  END IF; 
 END IF;
END PROCESS;

END rtl;