基于FPGA的带寄存器寻址SPI接口设计

摘要：随着物联网技术的发展，硬件间的相互通信速度要求越来越快。文中给出了采用Verilog HDL语言以有限状态机的形式，在FPGA中实现对带寄存器寻址的SP[接口控制的方法：同时介绍了通过SPI接口的结构和工作原理，提出了所设计的SPI接口要求，并通过Modelsim SE 6．5仿真软件进行了仿真实验，得到了符合设计要求的仿真波形，且在FPGA开发板上得到了正确验证，证明该设计可应用于带寄存器寻址的SPI接口配置。
关键宇：物联网；Verilog HDL；FPGA；有限状态机；SPI

0 引言
SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围接口)总线是一种高速全双工同步串行通信接口，可以实现CPU与各种外围设备(如FLAS、LCD显示驱动器、网络控制器、AD转换器、DA转换器和其他CPU等)以串行方式进行通信以交换信息。相比于I2C接口和UART等其他串行接口，一般情况下，SPI接口的数据传输速度最快，可以达到几个Mb／s。I2C接口由于是二线协议速度，很难超过1 Mb／s；UART工作在方式0(8位移位寄存器)时，时钟速度为系统时钟的1／12，而SPI接口时钟速度一般为系统时钟的1／4。本文给出了采用Verilog HDL语言，以FPGA为控制器设计的一种带寄存器寻址的SPI接口的设计方法。

1 SPI总线结构和工作原理
SPI总线一般使用四条信号线，以主／从模式工作，这种模式通常有一个主设备和多个从设备。数据传输过程由主机初始化。它是一种环形总线结构，结构框图如图1所示。SPI总线使用的四条信号线分别为SCLK、MOSI、MISO和CS。其中，SCLK为串行时钟线，用来同步数据传输，由主机产生；MOSI是主机输出，从机输入数据线；MISO是主机输入，从机输出数据线；CS是从机选择线，由主机控制输出。

CS用于表示控制芯片是否被选中，即只有CS有效时(高电平或低电平)，对此芯片的操作才有效，从而在同一总线上连接多个SPI接口设备成为可能。当SPI从机被选中时，在SPI主机输出SCLK的控制下，SPI主机通过MOSI引脚发送数据，SPI从机通过MOSI接收数据，或者SPI从机通过MISO引脚发送数据，SPI主机通过MISO引脚接收数据。
SPI总线通过时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个控制位来配置其工作方式及其接口数据传输时序。SPI总线工作时序图如图2所示。C POL用来控制SCLK的空闲状态电平。当CPOL=0时，SCLK的空闲状态为低电平；当CPOL=1时，SCLK的空闲状态为高电平。CPHA用来控制采样数据的时刻。当CPHA=0时，在SCLK从空闲状态跳变的第一个时沿(上升或下降)数据被采样；当CPHA=1时，在SCLK从空闲状态跳变的第二个时沿数据被采样。

SPI总线工作原理：假定CPOL=0，CPHA=1。当要传输数据时，SPI主机控制CS输出有效电平，SCLK输出时钟信号，SPI总线处于工作状态。当SCLK第一个时沿(上升沿)来的时候，SPI主机的8位移位寄存器将最高位(MSB)的数据移出，并将剩余的数据分别左移一位，这时MOSI线上电平为刚移出MSB代表的电平；同时SPI从机的8位移位寄存器将最高位的数据移出，并将剩余的数据分别左移一位，而MISO线上电平为刚移出MSB代表的电平。然后当第二时沿(下降沿)到来的时候，SPI主机的8位移位寄存器将锁存MISO线上的电平，并将其移入最低位(LSB)：同时SPI从机的8位移位寄存器将锁存MOSI线上的电平，并将其移入最低位。经过8个SCLK时钟周期后，两个移位寄存器就实现了数据交换，即完成了一次SPI接口时序，然后SPI总线重新回到空闲状态，从而SPI主机和SPI从机之间实现全双工通信。

2 SPI总线协议设计和软件实现
本文采用Verilog HDL语言以同步有限状态机(FSM)的设计方法，实现了一种4线制全双工的SPI总线。通过SPI主机访问SPI从机的控制寄存器，实现SPI主机和SPI从机间的SPI总线协议通信。
2．1 SPI总线协议
设计的SPI总线时序要求：当CS为低电平时，MOSI线和MISO线上数据传输有效。数据传输由SCLK控制，每次数据传输开始于SCLK的下降沿。每个输出的数据位在SCLK上升沿被采样。1 b读／写位实现SPI主机对SPI从机的读操作和写操作。1 b的保留位用作扩展。6 b地址是所要访问的SPI从机控制寄存器的地址。8 b数据是写入或读取SPI从机指定地址的控制寄存器的内容。写操作和读操作时序图如图3所示。