SPI數(shù)據(jù)通信是常用的一種中低速芯片級(jí)的數(shù)據(jù)通信。SPI數(shù)據(jù)通信協(xié)議簡(jiǎn)單，連線不多，而且是全雙工通信，因此廣泛用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。本章簡(jiǎn)要介紹SPI數(shù)據(jù)通信的協(xié)議及主端與從端的VerilogHDL建模與仿真。

SPI數(shù)據(jù)通信協(xié)議

SPI是英文Serial Peripheral Interface的首字母縮寫(xiě)，中文可以翻譯為串行外圍設(shè)備接口。SPI 是Motorola公司首先推出的一種同步串行接口。它用于CPU或者FPGA與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行數(shù)據(jù)通信。SPI 通信接口簡(jiǎn)單，只需要4根線：clk同步時(shí)鐘信號(hào)、mosi主端輸出/從端輸人數(shù)據(jù)信號(hào)、miso主端輸人/從端輸出數(shù)據(jù)信號(hào)、cs從端片選信號(hào)（如果有多個(gè)從端，則需要有多個(gè)cs從端片選信號(hào)與之相對(duì)應(yīng))。SPI數(shù)據(jù)通信的同步串行傳輸順序是高位先傳、低位后傳。

四種SPI通信模式

SPI數(shù)據(jù)通信有4種模式，分別稱(chēng)為模式1至模式4。不同的模式是由開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣的邊沿及時(shí)鐘的空閑狀態(tài)決定的。時(shí)鐘的空閑狀態(tài)有2種，即高電平與低電平，分別對(duì)應(yīng)CPOL=1與CPOL=0，如圖18-1所示。

發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的時(shí)鐘邊沿的情況也有2種：數(shù)據(jù)開(kāi)始采樣發(fā)生在時(shí)鐘的第一個(gè)邊沿（也可理解為奇數(shù)邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣）與數(shù)據(jù)開(kāi)始發(fā)送發(fā)生在時(shí)鐘的第二個(gè)邊沿（也可理解為偶數(shù)邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送），分別對(duì)應(yīng) CPHA=0與CPHA=1，如圖18-2與圖18-3所示。

根據(jù)CPOL與CPHA的值，SPI的傳輸就可分為4種模式：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為例進(jìn)行介紹。

對(duì)應(yīng)圖18-2，分析在片選信號(hào)下降沿有效時(shí)開(kāi)始發(fā)送最高位數(shù)據(jù)，其余的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿發(fā)送，最后一個(gè)時(shí)鐘下降沿不發(fā)送數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)采樣發(fā)生在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿。

SPI從端數(shù)據(jù)通信模塊

SPI從端數(shù)據(jù)通信模塊建模

SPI數(shù)據(jù)通信分主端與從端，從端被動(dòng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的接收與發(fā)送。從端被動(dòng)的數(shù)據(jù)通信是根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)與片選信號(hào)的邊沿進(jìn)行判斷的。當(dāng)片選信號(hào)的下降沿有效時(shí)發(fā)送最高位數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)上升沿有效時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣接收數(shù)據(jù)。根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)Verilog HDL代碼如【代碼18-1】所列。

【代碼18-1】

【代碼18-1】編譯無(wú)誤后，設(shè)計(jì)【代碼18-1】的測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)觀察分析波形來(lái)確定spi_slave模塊是否滿足SPI從端數(shù)據(jù)通信的邏輯功能。設(shè)計(jì)spi_slave模塊的測(cè)試平臺(tái)如【代碼18-2】所列。

【代碼18-2】

在ModelSim軟件中對(duì)【代碼18-1】進(jìn)行波形仿真，如圖18-4所示。

波形仿真報(bào)告分析

在圖18-4上，先確定SPI主端發(fā)送的數(shù)據(jù)是00001001，SPI從端發(fā)送的數(shù)據(jù)是10000001。在373 ns時(shí)刻捕獲到SPI片選信號(hào)r_spi_cs的下沿，此時(shí)主、從端開(kāi)始發(fā)送最高位數(shù)據(jù)0與1，在接下來(lái)的時(shí)鐘下降沿發(fā)送其余的數(shù)據(jù)，同時(shí)在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)。最后，從端接收到的數(shù)據(jù)w_ srx_data為00001001，該數(shù)據(jù)與主端發(fā)送的數(shù)據(jù)00001001一致，說(shuō)明SPI從端實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信。

SPI主端數(shù)據(jù)通佶模塊

SPI主端數(shù)據(jù)通信模塊建模

在數(shù)據(jù)通信模式上，SPI主端與SPI從端一樣，也分為4種模式，而且數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的時(shí)序也基本一致。本節(jié)也是以模式0為例。與SPI從端不同的是，SPI主端多了產(chǎn)生片選信號(hào)與時(shí)鐘的邏輯，因?yàn)樵赟PI數(shù)據(jù)通信中，片選信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)是由SPI主端產(chǎn)生的。因此，只要根據(jù)模式0的時(shí)序關(guān)系產(chǎn)生相應(yīng)的片選信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)，再實(shí)例化SPI從端模塊即可設(shè)計(jì)成SPI主端模塊。根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)Verilog HDL代碼如【代碼18-3】所列。

【代碼18-3】

【代碼18-3】編譯無(wú)誤后，設(shè)計(jì)【代碼18-3】的測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)觀察分析波形來(lái)確定spi_master模塊是否滿足SPI主端數(shù)據(jù)通信的邏輯功能。設(shè)計(jì)spi_master模塊的測(cè)試平臺(tái)如【代碼18-4】所列。

【代碼18-4】

在ModelSim軟件中對(duì)【代碼18-3】進(jìn)行波形仿真，如圖18-5所示。

波形仿真報(bào)告分析

在圖18-5上，先確定SPI主端發(fā)送的數(shù)據(jù)r_mtx_data是00001101，SPI從端發(fā)送的數(shù)據(jù)r_stx_data是00001101。經(jīng)過(guò)8個(gè)SPI時(shí)鐘周期之后，主、從端都接收到數(shù)據(jù)00001101，說(shuō)明SPI主、從端實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信。

本篇知識(shí)點(diǎn)主要介紹有關(guān)SPI主、從端數(shù)據(jù)通信建模方面的內(nèi)容，包括什么是SPI數(shù)據(jù)通信，四種SPI通信模式，以及SPI主、從端通信模塊建模的具體方法。另外，我們還講到如何基于Qsys的最小Nios II系統(tǒng)的搭建，基于其自帶的IP模塊的使用，包括了PIO模塊、UART模塊、定時(shí)器模塊以及SPI模塊等，基于Qsys的自定義外設(shè)、自定義指令的應(yīng)用實(shí)例。