SPI总线是什么？FPGA串行外围接口SPI设计应如何实现？

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

为了实现对模块的控制，除了clk、cs、sck、miso、mosi 这些信号之外，还需要一些其他信号。其中，rst 是复位信号，用于SPI 模块的初始化。en 是模块的使能信号，当en=1 时模块开始工作。

data_i 是待发送数据的8 位并行输入端。data_o 是用于接收和发送数据的移位寄存器， 也是数据传输完成时已接收数据的8位并行输出端，图4 是所设计的SPI 主机模块的框图。

图4 SPI 模块框图

下面是用Verilog HDL 设计的SPI 主机模块（CPOL =0，CPHA=1）的主要程序，程序中省去了变量的声明，并在注释中对这些变量作了说明。

3 设计的仿真、综合与实现

通过编写测试平台，并使用Mentor Graphics 公司的仿真工具ModelSim SE PLUS 6.1f 对该SPI 模块进行仿真，得到的仿真波形如图5 所示。

图5 SPI 模块的仿真波形

从图中可以看出，sck 的空闲电平IDLE=0，接收数据时刻是下降沿即ACTIVE-IDLE 边沿， 故该SPI 模块的工作模式是CPOL=0，CPHA=1，与设计一致。当en=0 时，cs=1，SPI 总线处于空闲状态。当en=1 时，在下降沿cs=0，sck 输出时钟信号，总线数据传输开始。同时，data_o=data_i， 移位寄存器存入待发送数据11010111.在第1 个周期上升沿，主机通过mosi 发送data_o 最高位1 至从机。在第1 个周期下降沿，data_o 左移一位，多出一个空闲位data_o［0］，主机通过miso 接收从机发送的数据最高位1，并将其存入data_o［0］，data_o=10101111.依此类推，后面7 个周期的数据传输过程与第1 个周期类似。8 位数据全部传输完成之后，cs=1，一个完整的SPI 总线传输过程结束。可以发现，data_o中的数据被一个一个从主机发送到从机，同时data_o 也被用来存储从机发送的数据。8 个周期完成之后，data_o 中存储的数据正是从机发送的数据10101101.综合以上分析，该SPI 模块的功能是正确的。

通过实验，在Xilinx ISE 9.1i 中完成了对该模块的综合与实现，并下载到Digilent 公司的FPGA 开发板Spartan-3E Starter 上进行验证，实验结果正确。综合工具使用ISE 自带的XST，下载工具使用ISE 自带的iMPACT.

4 结语

本文用Verilog 硬件描述语言设计了一个符合SPI 总线规范的SPI 主机模块，使用仿真工具ModelSim 对其进行仿真并给出了仿真波形。在Xilinx ISE 中对该模块进行综合与实现，并在FPGA 上完成了下载与验证。该SPI 主机模块的功能正确，工作稳定，可扩展性强。由于SPI 总线应用范围很广，利用FPGA 可重复配置的优点，该模块可以很方便地应用于各种场合。本文作者创新点：根据SPI 总线规范，用Verilog HDL 设计并实现了一个带有移位寄存器的SPI 总线模块，具有简洁高效、便于修改、可扩展性强等特点。