浅谈Zynq实现SPI接口设计

当我们在设计中使用Zynq SoC或Zynq UltraScale + MPSoC时，可以有两种方法来实现SPI接口：

使用PS端的SPI控制器（PS端有两个SPI控制器）

在PL端使用配置成标准SPI通信的AXI Quad SPI (QSPI) IP模块

我们可以根据应用的要求来选择使用哪种方法实现SPI控制器。两种SPI的实现方式都支持四种SPI模式，并且都可以作为SPI主设备或SPI从设备。下表列出了它们之间的一些差异：

首先，我们演示一下如何使用PS端的SPI控制器进行SPI传输。在Zynq MIO configuration选项卡中选中SPI控制器，这就将SPI包含在了设计中。在这个例子中，我将把SPI信号连接到Digilent ARTY Z7开发板的SPI接口，这需要通过PL I/O使用EMIO。
 

图：启用SPI并将端口映射到EMIO

在选择好相应的选项后，唯一要做的就是连接SPI端口的I/O。具体要如何进行连接取决于我们是需要配置一个SPI主设备还是从设备。在SPI控制器上，每个SPI端口都有对应的可用输入（xxx_i）输出端口（xxx_o）。端口的正确连接十分关键，如果连接错误，当运行应用程序时，将得到完全错误的运行结果，这可能需要花费我们几个小时的时间来寻找问题的源头。另外，当配置成SPI从设备时，有一个名称为Slave Select的输入；而当用作SPI主设备时，将有三个选择引脚。

当正确配置好I/O并创建了工程，我们就可以使用应用软件中的SPI配置选项将SPI控制器配置成为主设备或从设备。使用PS SPI控制器配置和传输数据，需要使用由XSPIps.H定义的BSP（板卡支持包）所提供的API接口。在第一个例子中，我们将SPI控制器配置为SPI主设备。

默认情况下，SPI使用8位传输。但是，我们也可以将传输配置成更大的16或32位。对于8位传输，我们在C程序中可以使用u8数据类型。对于16位或32位传输，分别使用16位或32位对数据进行读写缓存。

一开始，这可能会导致一些问题或生成编译器警告，因为执行如下所示的两个数据传输API函数都需要发送和接收缓冲区的数据类型为u8：

s32 XSpiPs_Transfer(XSpiPs *InstancePtr, u8 *SendBufPtr, u8 *RecvBufPtr, u32 ByteCount);

s32 XSpiPs_PolledTransfer(XSpiPs *InstancePtr, u8 *SendBufPtr, u8 *RecvBufPtr, u32 ByteCount);

为了解决使用u16和u32数据类型的问题，我们需要将缓冲区转换为u8指针，如下所示：

XSpiPs_PolledTransfer(&SpiInstance, (u8*)&TxBuffer, (u8*)&RxBuffer, 8);

这样设置将就使得我们能够传输大小为8，16或32位的数据了。为了演示这一设置，我将SPI主设备IO连接到Digilent Digital Discovery口袋仪器来测试传输的数据。在应用软件中使用上述方法将数据宽度从8位变为16位。

图：Arty Z7开发板与Digital Discovery口袋仪器

图：Zynq SoC PS SPI主设备发送四个8位字

图：PS SPI主设备发送四个16位字

另一个实现SPI接口的方法是使用AXI QSPI IP核，使用这种方法需要在Vivado中进行的设置比较多，需要花费比较长的时间。在AXI QSPI配置对话框中，我们可以配置传输的宽度、频率和从设备的数量。最重要的一个选项就是选择AXI QSPI IP核是作为SPI主设备还是从设备。如果要配置成SPI主设备，就必须选中enable master mode选项。如果要配置成为从设备，则必须取消该选项以确保SPISel输入引脚的存在。当SPI IP核作为从设备时，该引脚需要连接到主设备的slave select.端口。

 

图：配置AXI Quad SPI

与PS SPI控制器一样，BSP也为SPI IP提供一个API接口。我们可以用它来开发应用软件，这个API是在文件XSPI.h中定义的。作为例子的第二部分，我将使用这个API来配置AXI QSPI作为SPI从设备。


为了演示创建软件后AXI QSPI核可以正确的以SPI从设备方式进行工作。我再次使用Digilent Digital Discovery口袋仪器作为SPI主设备，使数据在两者之间传输。
 

图：SPI从设备收发数据（蓝色的数据由Zynq SPI Slave输出）

图：最终的block diagram

当然，如果使用Xilinx FPGA代替Zynq SoC或Zynq UltraScale MPSoC，则可以使用具有相同AXI QSPI配置的MicroBlaze软核来实现SPI接口。只要正确地将其定义为主设备或从设备即可。

        希望这篇文章能够帮助你了解如何使用这两种不同的方法创建主/从SPI接口。