基于FPGA的串行外围接口SPI设计与实现

　　引言

　　SPI（串行外围接口）总线，是一个同步串行接口的数据总线，它具有全双工、信号线少、协议简单、传输速度快等优点。由于串行总线的信号线比并行总线更少、更简单，越来越多的系统放弃使用并行总线而采用串行总线。在众多串行总线中，SPI 总线与I2C 总线、CAN 总线、USB 等其他常用总线相比有很大优势，如SPI 总线的数据传输速度可达若干Mbps， 比I2C 总线快很多。SPI 总线最典型的应用就是主机与外围设备（如EEPROM、Flash RAM、A/D 转换器、LED 显示器、实时时钟等）之间的通信。

　　FPGA（现场可编程门阵列）是在PAL、GAL、PLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，具有设计周期短、可重复编程、灵活性强等特点。用FPGA 设计的SPI 总线具有可扩展性强、便于修改等优点。只要对设计做简单的改动，即可对SPI 总线的数据位数、工作模式等进行扩展，充分发挥了FPGA 的优势。

　　1 SPI 总线的结构和工作原理

　　SPI 总线区分主机（Master）和从机（Slave）两部分，它的结构框图如图1 所示。

　　图1 SPI 总线结构框图

　　主机和从机之间通过4 根信号线连接，分别是SCK、MOSI、MISO、CS，它们的定义如下。

　　SCK：同步时钟信号，用来同步主机和从机的数据传输，由主机控制输出，从机在SCK 的边沿接收和发送数据；MOSI：主机输出、从机输入信号，主机在上升沿（或下降沿）通过该信号线发送数据给从机，从机在下降沿（或上升沿）通过该信号线接收该数据；MISO：主机输入、从机输出信号，从机在上升沿（或下降沿）通过该信号线发送数据给主机，主机在下降沿（或上升沿）通过该信号线接收该数据；CS：从机片选信号，由主机控制输出。

　　其工作原理是： 当没有数据需要在主机和从机之间传输时，主机控制SCK 输出空闲电平，CS 输出无效电平，SPI 总线处于空闲状态；当有数据需要传输时，主机控制CS 输出有效电平，SCK输出时钟信号，SPI 总线处于工作状态；在某个时钟边沿，主机和从机同时发送数据，将数据分别传输到MOSI 和MISO 上；在下一个时钟边沿，主机和从机同时接收数据，分别将MISO 和MOSI上的数据接收并存储；当数据全部传输完毕时，主机控制SCK 输出空闲电平，CS 输出无效电平，SPI 总线重新回到空闲状态。至此，一个完整的SPI 总线数据传输过程完成。

　　SPI 总线有两个控制位：CPOL 和CPHA.将SCK 的空闲电平用IDLE 表示，非空闲电平用ACTIVE 表示。CPOL 用来选择IDLE 的电平值。当CPOL=0 时，IDLE=0;当CPOL=1 时，IDLE=1.

　　CPHA 用来选择接收数据的时刻。当CPHA=0 时， 接收时刻是IDLE-ACTIVE 边沿；当CPHA=1 时，接收时刻是ACTIVE-IDLE边沿。根据CPOL 和CPHA 的取值情况，SPI 总线共有4 种不同的工作模式。图2 给出了SPI 总线在不同工作模式下的工作时序。

　　图2 SPI 总线的工作时序

　　当CPHA=0 时，MOSI 和MISO 的时序有所不同，主要是第一个数据位MSB 的发送时刻不同。MOSI 的MSB 在SCK 的第一个IDLE-ACTIVE 边沿的前半个周期由主机发送到MOSI 上；而MISO 的MSB 则在CS 信号的下降沿由从机发送到MISO 上。当CPHA=1 时，MOSI 和MISO 的时序完全相同。

　　2 SPI 主机模块的设计

　　本文设计的SPI 主机模块主要完成以下工作：

　　（1） 将主机收到的8 位并行数据转换为串行数据，并发送给从机；（2） 接收来自从机的串行数据，将其转换为并行数据，通过并行端口输出；（3） 输出从机所需要的输入信号、时钟信号SCK 和片选信号CS。

　　在数据串并转换的过程中， 必须用到寄存器来存放临时数据。一般情况下，发送数据需要1 个发送寄存器，接收数据需要1个接收寄存器，则至少需要2 个寄存器。在SPI 总线中，每发送1个数据位则发送寄存器多出1 个空闲位， 正好可以在半个周期后用来接收1 个数据位。为了减少资源消耗，可以用1 个移位寄存器来代替2 个独立的接收寄存器和发送寄存器。图3 所示为SPI 总线的硬件结构框图，其中MaSTer 和Slave 各使用1 个移位寄存器接收和发送数据。

　　图3 SPI 总线的硬件结构