SPI简介及FPGA通用MOSI模块实现

简介

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）通讯协议，是Motorola公司提出的一种同步串行接口技术。是一种高速、全双工、同步通信总线。在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输。

优缺点：

SPI通讯协议的优点是支持全双工通信，通讯方式较为简单，且相对数据传输速率较快；

缺点是没有指定的流控制，没有应答机制确认数据是否接收，与IIC总线通讯协议相比，在数据可靠性上有一定缺陷。

物理层

对于SPI协议的物理层，需要讲解的就是SPI通讯设备的连接方式和设备引脚的功能描述。

SPI通讯设备的通讯模式是主从通讯模式，通讯双方有主从之分，根据从机设备的个数，SPI通讯设备之间的连接方式可分为一主一从和一主多从，具体见下图1、2。

图 1 一主一从SPI通讯设备连接图

图 2 一主多从SPI通讯设备连接图

SPI通讯协议包含1条时钟信号线、2条数据总线和1条片选信号线， 时钟信号线为SCK，2条数据总线分别为MOSI(主输出从输入)、MISO(主输入从输出)，片选信号线为，它们的作用介绍如下：

1. SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于同步通讯数据。由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不同，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。

2. MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，数据方向由主机到从机。

3. MISO (Master Input，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，数据方向由从机到主机。

4. (Chip Select)：片选信号线，也称为CS_N，以下用CS_N表示。当有多个SPI从设备与SPI主机相连时，设备的其它信号线SCK、MOSI及MISO同时并联到相同的SPI总线上，即无论有多少个从设备，都共同使用这3条总线；而每个从设备都有独立的这一条CS_N信号线，本信号线独占主机的一个引脚，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。

I2C协议中通过设备地址来寻址、选中总线上的某个设备并与其进行通讯；而SPI协议中没有设备地址，它使用CS_N信号线来寻址，当主机要选择从设备时，把该从设备的CS_N信号线设置为低电平，该从设备即被选中，即片选有效，接着主机开始与被选中的从设备进行 SPI通讯。所以SPI通讯以CS_N线置低电平为开始信号，以CS_N线被拉高作为结束信号。

四种通讯模式

SPI通讯协议一共有四种通讯模式，模式0、模式1、模式2以及模式3，这4种模式分别由时钟极性(CPOL，Clock Polarity)和时钟相位(CPHA，Clock Phase)来定义。

CPOL参数规定了空闲状态(CS_N为高电平，设备未被选中)时SCK时钟信号的电平状态；

CPHA规定了数据采样是在SCK时钟的奇数边沿还是偶数边沿。

极性和相位

SPI的极性Polarity和相位Phase，最常见的写法是CPOL和CPHA，不过也有一些其他写法，简单总结如下：
(1) CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （时钟）极性
(2) CKPHA (Clock Phase) = CPHA = PHA = Phase = （时钟）相位
(3) SCK=SCLK=SPI的时钟
(4) Edge=边沿，即时钟电平变化的时刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)

模式判别

CPOL，表示当SCLK空闲idle的时候，其电平的值是低电平0还是高电平1：
CPOL=0，时钟空闲idle时候的电平是低电平，所以当SCLK有效的时候，就是高电平，就是所谓的active-high；
CPOL=1，时钟空闲idle时候的电平是高电平，所以当SCLK有效的时候，就是低电平，就是所谓的active-low；

CPHA=0，表示第一个边沿：
对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；
对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；

CPHA=1，表示第二个边沿：
对于CPOL=0，idle时候的是低电平，第二个边沿就是从高变到低，所以是下降沿；
对于CPOL=1，idle时候的是高电平，第一个边沿就是从低变到高，所以是上升沿；

SPI通讯协议的4种模式如下，通讯模式时序图，具体见下图 ：

模式0：CPOL= 0，CPHA=0。空闲状态时SCK串行时钟为低电平；数据采样在SCK时钟的上升沿；数据更新在SCK时钟的下降沿。

模式1：CPOL= 0，CPHA=1。空闲状态时SCK串行时钟为低电平；数据采样在SCK时钟的下降沿；数据更新在SCK时钟的上升沿。

模式2：CPOL= 1，CPHA=0。空闲状态时SCK串行时钟为高电平；数据采样在SCK时钟的下降沿；数据更新在SCK时钟的上升沿。

模式3：CPOL= 1，CPHA=1。空闲状态时SCK串行时钟为高电平；数据采样在SCK时钟的上升沿；数据更新在SCK时钟的下降沿。

模式的判断：

如果起始的SCLK的电平是0，那么CPOL=0，如果是1，那么CPOL=1，

然后看数据采样时刻，对应到上面SCLK时钟的位置，对应着是第一个边沿或是第二个边沿，即CPHA是0或1

时序需求

t_SLCH：cs_n拉低到sck高的时间

t_CHSH：sck高到cs_n拉高的时间

SCK上升沿MOSI的建立时间保持时间需求

SPI通用模块

实现功能

用于将任意宽度向量型数据转换为SPI串行输出，模式0：CPOL= 0，CPHA=0;
默认串行数据mosi数据的建立时间和保持时间均为2个clk(0.5*DIV_FREQUENCY)周期，即sck上升沿的前后2个(0.5*DIV_FREQUENCY)clk数据稳定,串行时钟sck周期为4*clk(DIV_FREQUENCY)的周期;
默认t_SLCH(cs_n拉低到sck高的时间为6*clk(1.5*DIV_FREQUENCY)周期)，t_CHSH(sck高到cs_n拉高的时间为2*clk(0.5*DIV_FREQUENCY)周期);
若时序满足此模块可以不做修改。若需要修改在外部例化时修改DIV_FREQUENCY(只能偶分频)和PERIOD_WIDTH_MAX即可。

使用方法

输入data的位宽和计数器位宽在外部进行例化时修改参数的值即可，不必修改SPI模块
DATA_WIDTH_MAX修改为输入数据的位宽，如[31:0]的数据则DATA_WIDTH_MAX=32
CNT_DATA_WIDTH_MAX修改为输入数据的位宽计数器需要的位宽上限，即DATA_WIDTH_MAX=32对应的二进制位宽32=6’b10_0000,所以CNT_DATA_WIDTH_MAX=6

输入输出端口说明：

//input
input 		wire 						clk 			, //系统时钟,spi串行时钟的分频基准 			
input 		wire						clr_n 			, //spi信号标志信号，允许发送时一直拉高,重新发送时拉低复位再拉高
input 	  	wire  [DATA_WIDTH_MAX-1:0] 	data 			, //需要data与clr_n一同进入			//output	                                            
output		reg							cs_n 			, //片选信号
output 	  	reg			 				sck 			, //串行时钟
output		reg							mosi 			, //主输出从输入数据
output		reg							flag 			  //spi发送完成标志位，完成则一直拉高；clr_n置0时拉低

例化模板：

spi #(
.DATA_WIDTH_MAX 	(8	 	),
.CNT_DATA_WIDTH_MAX	(4		) 
)
u_spi(.clk 	(clk			),.clr_n  (clr_n			),.data   (data_in		),.cs_n   (cs_n			),.sck    (sck 			),.mosi   (mosi			),.flag   (flag			)
); 

SPI模块

//========================================================================
// 	module_name.v	:spi.v
// 	Author			:YprgDay
// 	Description		:用于将任意宽度向量型数据转换为SPI串行输出，模式0：CPOL= 0，CPHA=0。
//========================================================================
module spi#(//=========================< Parameter >==============================parameter 				DATA_WIDTH_MAX		=	32				,//例化时修改为输入数据的位宽，如[31:0]的数据则DATA_WIDTH_MAX	=32parameter 				CNT_DATA_WIDTH_MAX	=	6				,//例化时修改为输入数据的位宽计数器需要的位宽上限，即DATA_WIDTH_MAX=32对应的二进制位宽32=6'b10_0000,所以CNT_DATA_WIDTH_MAX=6parameter 				DIV_FREQUENCY		=	4				,//分频数(只允许偶分频)，串行时钟sck周期为DIV_FREQUENCY*clk的周期parameter 				PERIOD_WIDTH_MAX	=	2				,//(DIV_FREQUENCY-1)对应的二进制位宽即为PERIOD_WIDTH_MAXparameter 				CNT_PERIOD_MAX		=	DIV_FREQUENCY-1	,parameter 				CNT_HALF_PERIOD_MAX	=	CNT_PERIOD_MAX >> 1	//计数分频中值
) 
(//=========================< Port Name >==============================//inputinput 		wire 						clk 			, //系统时钟,spi串行时钟的分频基准 			input 		wire						clr_n 			, //spi信号标志信号，允许发送时一直拉高,重新发送时拉低复位再拉高		input 	  	wire  [DATA_WIDTH_MAX-1:0] 	data 			, //需要data与clr_n一同进入			//output	                                            output		reg							cs_n 			, //片选信号output 	  	reg			 				sck 			, //串行时钟output		reg							mosi 			, //主输出从输入数据output		reg							flag 			  //spi发送完成标志位，完成则一直拉高；clr_n置0时拉低);//=========================< Always block >===========================reg [CNT_DATA_WIDTH_MAX-1:0] 	cnt_data_width			;reg [PERIOD_WIDTH_MAX-1:0] 		cnt_spi_period			;reg [DATA_WIDTH_MAX-1:0] 		data_reg	  			;//输出的cs_n片选信号always @(posedge clk or negedge clr_n)beginif(clr_n == 1'b0)begincs_n <= 1'b1;endelse if(cnt_data_width == DATA_WIDTH_MAX && cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)begincs_n <= 1'b1;endelse begincs_n <= 1'b0;endend	//输出的sck串行时钟信号，always @(posedge clk or negedge clr_n)beginif(clr_n == 1'b0)beginsck <= 0;endelse if(cnt_data_width > 0 && cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)beginsck <= 0;endelse if(cnt_data_width > 0 && cnt_spi_period == CNT_HALF_PERIOD_MAX)beginsck <= 1;endelse beginsck <= sck;endend//mosi的串行输出always @(posedge clk or negedge clr_n)beginif(clr_n == 1'b0)beginmosi <= 0;endelse if(cnt_data_width == DATA_WIDTH_MAX && cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)beginmosi <= 0;endelse if(cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)beginmosi <= data_reg[DATA_WIDTH_MAX-1-cnt_data_width];endelse beginmosi <= mosi;endend //输出的串行数据发送完成标志信号，发送完成即拉高always @(posedge clk or negedge clr_n)beginif(clr_n == 1'b0)beginflag <= 0;endelse if(cnt_data_width == DATA_WIDTH_MAX && cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)beginflag <= 1;endelse beginflag <= 0;endend//输入数据寄存，保证data在一串SPI数据发完之间不发生变化always @(posedge clk or negedge clr_n)beginif(clr_n == 1'b0)begindata_reg <= 0;endelse if(cnt_data_width == 0 && cnt_spi_period == 1)begindata_reg <= data;endelse begindata_reg <= data_reg;endend//时钟四分频计数always @(posedge clk or negedge clr_n)beginif(clr_n == 1'b0)begincnt_spi_period <= 0;endelse if(cnt_data_width == DATA_WIDTH_MAX && cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)begincnt_spi_period <= cnt_spi_period;endelse if(cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)begincnt_spi_period <= 0;endelse if(cs_n == 0)begincnt_spi_period <= cnt_spi_period + 1'b1;endelse;end	//计数表示此时输出到[DATA_WIDTH_MAX:0] data的第几位位置always @(posedge clk or negedge clr_n)beginif(clr_n == 1'b0)begincnt_data_width <= 0;endelse if(cnt_data_width == DATA_WIDTH_MAX && cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)begincnt_data_width <= cnt_data_width;endelse if(cnt_spi_period == CNT_PERIOD_MAX)begincnt_data_width <= cnt_data_width + 1'b1;endelse;endendmodule

仿真模块

`timescale 1ns / 1ps
//
// Module Name: tb_spi
// Dependencies: spi模块仿真
//
module tb_spi();//=========================< Parameter >==============================parameter 				SPI_CLK_PERIOD		=	2			    ;//设置spi时钟信号周期parameter 				HALF_SPI_CLK_PERIOD	=	SPI_CLK_PERIOD/2;//生成spi时钟信号半周期//=========================< Port Name >==============================//inputreg						clk								;reg    					clr_n							;reg 		[7:0]		data_in							;//outputwire					mosi							;wire					cs_n							;wire					sck								;wire					flag							;//==========================< Clock block >============================always 	  	#HALF_SPI_CLK_PERIOD		clk = ~clk	;//==========================< Reset block >============================initial beginclk 		= 	1'b1	;clr_n  		<= 	1'b0	;data_in     <=	0		;#HALF_SPI_CLK_PERIODclr_n  		<= 	1'b1	;data_in     <=	8'h83	;#30data_in     <=	8'h54	;#300clr_n  		<= 	1'b0	;data_in     <=	8'hc7	;#10clr_n  		<= 	1'b1	;end//==========================< Module Instance >============================spi #(.DATA_WIDTH_MAX 	(8	 	),.CNT_DATA_WIDTH_MAX	(4		)				)u_spi(.clk 	(clk			),.clr_n  (clr_n			),.data   (data_in		),.cs_n   (cs_n			),.sck    (sck 			),.mosi   (mosi			),.flag   (flag			)); endmodule

仿真时序图

以8位输入数据[7:0]data的SPI时序图为例