四川九洲電器集團公司 王維維 馮 碩 昌 暢

一種SPI串口模塊的FPGA實現(xiàn)

四川九洲電器集團公司 王維維 馮 碩 昌 暢

主要介紹了一種在FPGA中實現(xiàn)SPI總線通信串口模塊的方法，并給出了設計方案、仿真結果以及硬件測試結果。本設計可以廣泛應用于常規(guī)處理控制器件（單片機、DSP等）同外部外設及其它處理器之間進行SPI數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)中，特別是需要快速構建數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的應用環(huán)境，在通信、消費電子及工業(yè)控制等諸多領域有廣闊的應用前景。

SPI接口；VHDL；FPGA

1.引言

串行外設接口（SPI）是一個高速同步的串行輸入/輸出口。SPI通常用于處理器和外部外設以及其它處理器之間進行通信。很多新型器件如LCD模塊、FLASH、ADC、EEPROM存儲器以及時鐘芯片等都采用了SPI接口。但在實際開發(fā)應用中，若主控制器無SPI接口或需要與多個具有SPI接口的外設通信，就要使用主控制器的I/O口通過軟件來模擬，這在很大程度上限制了其應用給數(shù)據(jù)傳輸帶來不便。所以采用硬件來實現(xiàn)SPI接口擴充的方法最為可行。

當前，基于主從處理器結構的系統(tǒng)架構已經成為一種主流(如DSP+FPGA，MCU+FPGA等)。FPGA優(yōu)點主要在于它有很強的靈活性，即其內部的具體邏輯功能可以根據(jù)需要配置，對電路的修改和維護很方便。傳統(tǒng)SPI接口的FPGA實現(xiàn)往往采用廠家提供的IP核實現(xiàn)，這種方法雖能基本滿足SPI通信要求，但設計不夠靈活，不利于功能擴展?；诖?，提出一種新的基于FPGA的SPI串口模塊實現(xiàn)方法。

2.SPI總線接口及時序

SPI串行接口運用4條線可與多種標準中心器件間接接口：串行時鐘線SPICLK，主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線SPISIMO，主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線SPISOMI和低電平有效的從機選通信號線SPI_CS。

SPICLK為主機時鐘線，是從機的一個輸入，為SPISOMI數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時鐘信號。時鐘的相位（CPHA）與極性(CPOL)可以用來控制數(shù)據(jù)的傳輸。CPOL=“0”表示SCLK的靜止狀態(tài)為低電平，CPOL=“1”則表示SCLK的靜止狀態(tài)為高電平。時鐘相位（CPHA）可以用來選擇兩種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式。如果CPHA=“0”，數(shù)據(jù)在信號SPI_CS聲明后的第一個SCLK邊沿有效。而當CPHA=“1”時，數(shù)據(jù)在信號SPI_CS聲明后的第二個SCLK邊沿才有效。因此，主機與從機中SPI設備的時鐘相位和極性必須要一致才能進行通信。

SPI有兩種工作模式：主模式和從模式。工作在主模式下，不管是發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)，SPICLK為整個串行通信網(wǎng)絡提供時鐘。串行數(shù)據(jù)發(fā)送時，首先發(fā)送的是最高有效位（MSB），時鐘信號的1次作用對應1位數(shù)據(jù)的發(fā)送（SPISIMO）和另1位數(shù)據(jù)的接收（SPISOMI）。工作在從模式下，不管是發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)，一直必需在SPICLK信號作用下停止，并且SPI_CS信號必需有效。1個典型的SPI系統(tǒng)包括一個主MCU和1個或幾個從外圍器件。

SPI主模式的數(shù)據(jù)接收時序見圖1。

SPI主模式的數(shù)據(jù)發(fā)送時序見圖2。

3.FPGA設計方案

本設計按一個默認數(shù)據(jù)通信速率(10Mbps)、時鐘模式(無相位延時的下降沿)、主/從工作方式(主SPI模式)進行SPI數(shù)據(jù)的收發(fā)。可通過外部處理控制器對本模塊進行各種通信參數(shù)的動態(tài)配置，以適應不同的通信速率、時鐘模式、工作方式、數(shù)據(jù)長度等情況。配置完畢后，即可開始SPI數(shù)據(jù)的收發(fā)過程。

圖1 SPI主模式數(shù)據(jù)接收時序

圖2 SPI主模式數(shù)據(jù)發(fā)送時序

圖3 SPI串口模塊系統(tǒng)框圖

圖5 SPI主模式數(shù)據(jù)發(fā)送流程

圖4 SPI主模式數(shù)據(jù)接收流程

圖6 仿真結果圖

本設計中增加了一根主/從SPI方的握手信號線SPI_STATUS，該信號線在從SPI方發(fā)送數(shù)據(jù)時被從方拉為低電平，而在從SPI方接收數(shù)據(jù)時被從方設置為高電平。

根據(jù)SPI總線的原理，本設計分為兩大功能模塊：數(shù)據(jù)接收及協(xié)議解析、數(shù)據(jù)發(fā)送處理。該SPI串口模塊系統(tǒng)框圖如圖3所示。

在這些子模塊中，數(shù)據(jù)接收FIFO和數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO用來做接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的FIFO。通信參數(shù)配置單元供處理控制器讀寫配置SPI的各種參數(shù)。對外并行接口單元負責與外部處理控制器進行數(shù)據(jù)交互。串行數(shù)據(jù)接收、命令解析及中斷產生單元完成串行數(shù)據(jù)接收、通信命令解析及產生中斷信號通知處理控制器進行數(shù)據(jù)接收操作。串行時鐘產生及收發(fā)控制單元用來發(fā)生主模式下的時鐘信號，同時對數(shù)據(jù)的接收或者發(fā)送進行功能切換。串行數(shù)據(jù)發(fā)送處理單元負責把并行進來的數(shù)據(jù)串行傳出，完成對數(shù)據(jù)發(fā)送的處理。

（1）數(shù)據(jù)接收及協(xié)議解析

當從SPI方發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻到來時，本設計檢測到狀態(tài)線SPI_STATUS為“低”，則串行時鐘產生及收發(fā)控制單元立即啟動接收邏輯，對外輸出串行時鐘SPICLK信號和選通信號SPI_CS，同時在SPICLK上升沿時刻進行數(shù)據(jù)采樣，并將串行數(shù)據(jù)進行相應緩存。

每當采樣數(shù)據(jù)構成一個完整字節(jié)時，由接收模塊將收到的數(shù)據(jù)存入“數(shù)據(jù)接收FIFO”，同時對串口數(shù)據(jù)中的特殊字段進行協(xié)議解析。過程如下：先檢索收全數(shù)據(jù)同步頭字節(jié)“AAH AAH”后，對后面接收的完整字節(jié)進行+1計數(shù)處理，再檢索收到串口數(shù)據(jù)總長度字節(jié)后，判斷已收到的字節(jié)總數(shù)是否達到串口數(shù)據(jù)總長度值。如果達到接收數(shù)據(jù)總長度值，則表示一幀數(shù)據(jù)命令接收完整，此處由接收模塊置出“命令數(shù)據(jù)接收完整”標志；同時，當檢測到狀態(tài)線SPI_STATUS的上升沿到來，給出數(shù)據(jù)接收完畢中斷標志信號int_rxd及時中斷處理控制器，通知外部控制器讀取數(shù)據(jù)進行處理，而不必每接收到1個字節(jié)就中斷一次，避免了主程序被頻繁中斷。

目前，本設計的接收FIFO和發(fā)送FIFO深度均設定為2048字節(jié)，可以緩存大量的通信數(shù)據(jù)，而不會將先前收到的數(shù)據(jù)覆蓋，外部處理控制器可以在處理完其它緊要任務后，再來進行SPI數(shù)據(jù)的讀取和后續(xù)處理，而不必擔心已接收的SPI數(shù)據(jù)會丟掉。

接收數(shù)據(jù)的流程圖如圖4所示。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送處理

當需要發(fā)送SPI數(shù)據(jù)時，外部處理控制器將需要發(fā)送的所有數(shù)據(jù)依次寫入本設計的“數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO”中，再對本設計另一個地址單元寫入“啟動發(fā)送命令”后，即可啟動數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。該模塊實時判定數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO是否為空，若FIFO內有數(shù)據(jù)則立即對外輸出串行時鐘SPICLK信號和選通信號SPI_CS，并在SPICLK的下降沿時刻對取出的數(shù)據(jù)進行發(fā)送，首先發(fā)送的是最高有效位（MSB）。即對主程序而言，就是向一特定地址寫入所有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，再寫入一個啟動發(fā)送命令即可自動完成全部數(shù)據(jù)的發(fā)送，無需進行發(fā)送流程控制。

發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。

4.電路完成

為了保證代碼的準確性，首先應根據(jù)模塊功能需求來編寫相應測試向量作為本SPI模塊的輸入激勵，然后經過查看模塊的輸出結果，判定本SPI模塊的各項功能是否正確。

采用了XILINX公司的EDA編譯軟件平臺ISE10.1，將用VHDL語言描述好的SPI接口模塊進行了綜合，然后用modelsim軟件進行仿真。在建立測試平臺時，首先建立模擬從SPI方數(shù)據(jù)發(fā)送的模塊，同時建立模擬主SPI方數(shù)據(jù)發(fā)送的模塊，再將接收/發(fā)送數(shù)據(jù)內容進行比較、驗證。在仿真軟件的輔助分析下，得到了正確的結果。仿真結果如圖6所示。

仿真通過后，將整個設計工程文件經綜合后的EDIF文件提交給ISE進行布局、布線后，把所生成的mcs文件下載到XILINX公司的FPGA芯片XC3S400中運行，結果與在modelsim中的仿真結果一致，該SPI總線接口模塊能達到所要求實現(xiàn)的性能，具有很強的實用性。

5.結束語

本設計以FPGA為硬件平臺，應用VHDL語言進行程序編制?？蓪崿F(xiàn)對SPI通信數(shù)據(jù)的自動接收和發(fā)送，也可由外部程序對該SPI串口進行快速配置，從而完成串口通信速率、時鐘模式、工作方式、數(shù)據(jù)長度等的動態(tài)更改。

通過簡單的程序復用，該設計可擴充為多路SPI數(shù)據(jù)通信接口，一方面彌補了常規(guī)處理控制器件（單片機、DSP等）所自帶的SPI硬件串口操作繁瑣、功能受限的不足，另一方面也把單片機、DSP從頻繁的數(shù)據(jù)查詢或數(shù)據(jù)中斷中解放出來，從而投入更多精力到其它的功能控制中。

[1]侯伯亨,顧新,編著.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設計[M].西安電子科技大學出版社,1999.

[2]孫豐軍,余春暄.SPI串行總線接口的Verilog實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術,2005.

王維維（1980—），男，陜西人，2002年畢業(yè)于武漢大學，主要從事電子信息方面工作。

馮碩（1984—），男，四川人，2007年畢業(yè)于電子科技大學，主要從事電子信息方面工作。

昌暢（1987—），男，重慶人，2009年畢業(yè)于四川大學，主要從事電子信息方面工作。