FPGA设计应用实例——SPI主从端数据通信实现

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SPI数据通信是常用的一种中低速芯片级的数据通信。SPI数据通信协议简单，连线不多，而且是全双工通信，因此广泛用于实现数据转换和数据存储等功能。本章简要介绍SPI数据通信的协议及主端与从端的VerilogHDL建模与仿真。

SPI数据通信协议

SPI是英文Serial Peripheral Interface的首字母缩写，中文可以翻译为串行外围设备接口。SPI 是Motorola公司首先推出的一种同步串行接口。它用于CPU或者FPGA与各种外围器件进行全双工、同步串行数据通信。SPI 通信接口简单，只需要4根线：clk同步时钟信号、mosi主端输出/从端输人数据信号、miso主端输人/从端输出数据信号、cs从端片选信号（如果有多个从端，则需要有多个cs从端片选信号与之相对应)。SPI数据通信的同步串行传输顺序是高位先传、低位后传。

四种SPI通信模式

SPI数据通信有4种模式，分别称为模式1至模式4。不同的模式是由开始数据采样的边沿及时钟的空闲状态决定的。

时钟的空闲状态有2种，即高电平与低电平，分别对应CPOL=1与CPOL=0，如图18-1所示。

发送与接收数据的时钟边沿的情况也有2种：数据开始采样发生在时钟的第一个边沿（也可理解为奇数边沿进行数据采样）与数据开始发送发生在时钟的第二个边沿（也可理解为偶数边沿进行数据发送），分别对应 CPHA=0与CPHA=1，如图18-2与图18-3所示。

根据CPOL与CPHA的值，SPI的传输就可分为4种模式：模式0是CPOL=0，CPHA=0；模式1是CPOL= 1，CPHA=0；模式2是CPOL=0，CPHA=1；模式3是CPOL=1，CPHA=1。本章以模式0为例进行介绍。

对应图18-2，分析在片选信号下降沿有效时开始发送最高位数据，其余的数据在时钟信号的下降沿发送，最后一个时钟下降沿不发送数据。而数据采样发生在时钟信号的上升沿。

SPI从端数据通信模块

SPI从端数据通信模块建模

SPI数据通信分主端与从端，从端被动地进行数据通信的接收与发送。从端被动的数据通信是根据时钟信号与片选信号的边沿进行判断的。当片选信号的下降沿有效时发送最高位数据，当时钟信号上升沿有效时进行数据采样接收数据。根据以上分析设计Verilog HDL代码如【代码18-1】所列。

【代码18-1】

【代码18-1】编译无误后，设计【代码18-1】的测试平台，通过观察分析波形来确定spi_slave模块是否满足SPI从端数据通信的逻辑功能。设计spi_slave模块的测试平台如【代码18-2】所列。

【代码18-2】

在ModelSim软件中对【代码18-1】进行波形仿真，如图18-4所示。

波形仿真报告分析

在图18-4上，先确定SPI主端发送的数据是00001001，SPI从端发送的数据是10000001。在373 ns时刻捕获到SPI片选信号r_spi_cs的下沿，此时主、从端开始发送最高位数据0与1，在接下来的时钟下降沿发送其余的数据，同时在时钟的上升沿接收数据。最后，从端接收到的数据w_ srx_data为00001001，该数据与主端发送的数据00001001一致，说明SPI从端实现了数据通信。

SPI主端数据通佶模块

SPI主端数据通信模块建模

在数据通信模式上，SPI主端与SPI从端一样，也分为4种模式，而且数据发送与接收的时序也基本一致。本节也是以模式0为例。与SPI从端不同的是，SPI主端多了产生片选信号与时钟的逻辑，因为在SPI数据通信中，片选信号与时钟信号是由SPI主端产生的。因此，只要根据模式0的时序关系产生相应的片选信号与时钟信号，再实例化SPI从端模块即可设计成SPI主端模块。根据以上分析设计Verilog HDL代码如【代码18-3】所列。

【代码18-3】

【代码18-3】编译无误后，设计【代码18-3】的测试平台，通过观察分析波形来确定spi_master模块是否满足SPI主端数据通信的逻辑功能。设计spi_master模块的测试平台如【代码18-4】所列。

【代码18-4】

在ModelSim软件中对【代码18-3】进行波形仿真，如图18-5所示。

波形仿真报告分析

在图18-5上，先确定SPI主端发送的数据r_mtx_data是00001101，SPI从端发送的数据r_stx_data是00001101。经过8个SPI时钟周期之后，主、从端都接收到数据00001101，说明SPI主、从端实现了数据通信。

本篇知识点主要介绍有关SPI主、从端数据通信建模方面的内容，包括什么是SPI数据通信，四种SPI通信模式，以及SPI主、从端通信模块建模的具体方法。另外，我们还讲到如何基于Qsys的最小Nios II系统的搭建，基于其自带的IP模块的使用，包括了PIO模块、UART模块、定时器模块以及SPI模块等，基于Qsys的自定义外设、自定义指令的应用实例。

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