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【摘要】主要介绍了一种在FPGA中实现SPI总线通信串口模块的方法，并给出了设计方案、仿真结果以及硬件测试结果。本设计可以广泛应用于常规处理控制器件（单片机、DSP等）同外部外设及其它处理器之间进行SPI数据通信的系统中，特别是需要快速构建数据通信系统的应用环境，在通信、消费电子及工业控制等诸多领域有广阔的应用前景。
【关键词】SPI接口；VHDL；FPGA
1.引言
串行外设接口（SPI）是一个高速同步的串行输入/输出口。SPI通常用于处理器和外部外设以及其它处理器之间进行通信。很多新型器件如LCD模块、FLASH、ADC、EEPROM存储器以及时钟芯片等都采用了SPI接口。但在实际开发应用中，若主控制器无SPI接口或需要与多个具有SPI接口的外设通信，就要使用主控制器的I/O口通过软件来模拟，这在很大程度上限制了其应用给数据传输带来不便。所以采用硬件来实现SPI接口扩充的方法最为可行。
当前，基于主从处理器结构的系统架构已经成为一种主流（如DSP+FPGA，MCU+ FPGA等）。FPGA优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。传统SPI接口的FPGA实现往往采用厂家提供的IP核实现，这种方法虽能基本满足SPI通信要求，但设计不够灵活，不利于功能扩展。基于此，提出一种新的基于FPGA的SPI串口模块实现方法。
2.SPI总线接口及时序
SPI串行接口运用4条线可与多种标准中心器件间接接口：串行时钟线SPICLK，主机输出/从机输入数据线SPISIMO，主机输入/从机输出数据线SPISOMI和低电平有效的从机选通信号线SPI_CS。
SPICLK为主机时钟线，是从机的一个输入，为SPISOMI数据的发送和接收提供同步时钟信号。时钟的相位（CPHA）与极性（CPOL）可以用来控制数据的传输。CPOL=“0”表示SCLK的静止状态为低电平，CPOL=“1”则表示SCLK的静止状态为高电平。时钟相位（CPHA）可以用来选择两种不同的数据传输模式。如果CPHA=“0”，数据在信号SPI_CS声明后的第一个SCLK边沿有效。而当CPHA=“1”时，数据在信号SPI_CS声明后的第二个SCLK边沿才有效。因此，主机与从机中SPI设备的时钟相位和极性必须要一致才能进行通信。
SPI有两种工作模式：主模式和从模式。工作在主模式下，不管是发送还是接收数据，SPICLK为整个串行通信网络提供时钟。串行数据发送时，首先发送的是最高有效位（MSB），时钟信号的1次作用对应1位数据的发送（SPISIMO）和另1位数据的接收（SPISOMI）。工作在从模式下，不管是发送还是接收数据，一直必需在SPICLK信号作用下停止，并且SPI_CS信號必需有效。1个典型的SPI系统包括一个主MCU和1个或几个从外围器件。
SPI主模式的数据接收时序见图1。
SPI主模式的数据发送时序见图2。
3.FPGA设计方案
本设计按一个默认数据通信速率（10Mbps）、时钟模式（无相位延时的下降沿）、主/从工作方式（主SPI模式）进行SPI数据的收发。可通过外部处理控制器对本模块进行各种通信参数的动态配置，以适应不同的通信速率、时钟模式、工作方式、数据长度等情况。配置完毕后，即可开始SPI数据的收发过程。
本设计中增加了一根主/从SPI方的握手信号线SPI_STATUS，该信号线在从SPI方发送数据时被从方拉为低电平，而在从SPI方接收数据时被从方设置为高电平。
根据SPI总线的原理，本设计分为两大功能模块：数据接收及协议解析、数据发送处理。该SPI串口模块系统框图如图3所示。
在这些子模块中，数据接收FIFO和数据发送FIFO用来做接收、发送数据的FIFO。通信参数配置单元供处理控制器读写配置SPI的各种参数。对外并行接口单元负责与外部处理控制器进行数据交互。串行数据接收、命令解析及中断产生单元完成串行数据接收、通信命令解析及产生中断信号通知处理控制器进行数据接收操作。串行时钟产生及收发控制单元用来发生主模式下的时钟信号，同时对数据的接收或者发送进行功能切换。串行数据发送处理单元负责把并行进来的数据串行传出，完成对数据发送的处理。
（1）数据接收及协议解析
当从SPI方发送数据的时刻到来时，本设计检测到状态线SPI_STATUS为“低”，则串行时钟产生及收发控制单元立即启动接收逻辑，对外输出串行时钟SPICLK信号和选通信号SPI_CS，同时在SPICLK上升沿时刻进行数据采样，并将串行数据进行相应缓存。
每当采样数据构成一个完整字节时，由接收模块将收到的数据存入“数据接收FIFO”，同时对串口数据中的特殊字段进行协议解析。过程如下：先检索收全数据同步头字节“AAH AAH”后，对后面接收的完整字节进行+1计数处理，再检索收到串口数据总长度字节后，判断已收到的字节总数是否达到串口数据总长度值。如果达到接收数据总长度值，则表示一帧数据命令接收完整，此处由接收模块置出“命令数据接收完整”标志；同时，当检测到状态线SPI_STATUS的上升沿到来，给出数据接收完毕中断标志信号int_rxd及时中断处理控制器，通知外部控制器读取数据进行处理，而不必每接收到1个字节就中断一次，避免了主程序被频繁中断。
目前，本设计的接收FIFO和发送FIFO深度均设定为2048字节，可以缓存大量的通信数据，而不会将先前收到的数据覆盖，外部处理控制器可以在处理完其它紧要任务后，再来进行SPI数据的读取和后续处理，而不必担心已接收的SPI数据会丢掉。
接收数据的流程图如图4所示。
（2）数据发送处理
当需要发送SPI数据时，外部处理控制器将需要发送的所有数据依次写入本设计的“数据发送FIFO”中，再对本设计另一个地址单元写入“启动发送命令”后，即可启动数据发送模块发送数据。该模块实时判定数据发送FIFO是否为空，若FIFO内有数据则立即对外输出串行时钟SPICLK信号和选通信号SPI_CS，并在SPICLK的下降沿时刻对取出的数据进行发送，首先发送的是最高有效位（MSB）。即对主程序而言，就是向一特定地址写入所有需要发送的数据，再写入一个启动发送命令即可自动完成全部数据的发送，无需进行发送流程控制。
发送数据的流程图如图5所示。
4.电路完成
为了保证代码的准确性，首先应根据模块功能需求来编写相应测试向量作为本SPI模块的输入激励，然后经过查看模块的输出结果，判定本SPI模块的各项功能是否正确。
采用了XILINX公司的EDA编译软件平台ISE10.1，将用VHDL语言描述好的SPI接口模块进行了综合，然后用modelsim软件进行仿真。在建立测试平台时，首先建立模拟从SPI方数据发送的模块，同时建立模拟主SPI方数据发送的模块，再将接收/发送数据内容进行比较、验证。在仿真软件的辅助分析下，得到了正确的结果。仿真结果如图6所示。
仿真通过后，将整个设计工程文件经综合后的EDIF文件提交给ISE进行布局、布线后，把所生成的mcs文件下载到XILINX公司的FPGA芯片XC3S400中运行，结果与在modelsim中的仿真结果一致，该SPI总线接口模块能达到所要求实现的性能，具有很强的实用性。
5.结束语
本设计以FPGA为硬件平台，应用VHDL语言进行程序编制。可实现对SPI通信数据的自动接收和发送，也可由外部程序对该SPI串口进行快速配置，从而完成串口通信速率、时钟模式、工作方式、数据长度等的动态更改。
通过简单的程序复用，该设计可扩充为多路SPI数据通信接口，一方面弥补了常规处理控制器件（单片机、DSP等）所自带的SPI硬件串口操作繁琐、功能受限的不足，另一方面也把单片机、DSP从频繁的数据查询或数据中断中解放出来，从而投入更多精力到其它的功能控制中。
参考文献
[1]侯伯亨，顾新，编著.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安电子科技大学出版社，1999.
[2]孙丰军，余春暄.SPI串行总线接口的Verilog实现[J].现代电子技术，2005.
【关键词】SPI接口；VHDL；FPGA
1.引言
串行外设接口（SPI）是一个高速同步的串行输入/输出口。SPI通常用于处理器和外部外设以及其它处理器之间进行通信。很多新型器件如LCD模块、FLASH、ADC、EEPROM存储器以及时钟芯片等都采用了SPI接口。但在实际开发应用中，若主控制器无SPI接口或需要与多个具有SPI接口的外设通信，就要使用主控制器的I/O口通过软件来模拟，这在很大程度上限制了其应用给数据传输带来不便。所以采用硬件来实现SPI接口扩充的方法最为可行。
当前，基于主从处理器结构的系统架构已经成为一种主流（如DSP+FPGA，MCU+ FPGA等）。FPGA优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。传统SPI接口的FPGA实现往往采用厂家提供的IP核实现，这种方法虽能基本满足SPI通信要求，但设计不够灵活，不利于功能扩展。基于此，提出一种新的基于FPGA的SPI串口模块实现方法。
2.SPI总线接口及时序
SPI串行接口运用4条线可与多种标准中心器件间接接口：串行时钟线SPICLK，主机输出/从机输入数据线SPISIMO，主机输入/从机输出数据线SPISOMI和低电平有效的从机选通信号线SPI_CS。
SPICLK为主机时钟线，是从机的一个输入，为SPISOMI数据的发送和接收提供同步时钟信号。时钟的相位（CPHA）与极性（CPOL）可以用来控制数据的传输。CPOL=“0”表示SCLK的静止状态为低电平，CPOL=“1”则表示SCLK的静止状态为高电平。时钟相位（CPHA）可以用来选择两种不同的数据传输模式。如果CPHA=“0”，数据在信号SPI_CS声明后的第一个SCLK边沿有效。而当CPHA=“1”时，数据在信号SPI_CS声明后的第二个SCLK边沿才有效。因此，主机与从机中SPI设备的时钟相位和极性必须要一致才能进行通信。
SPI有两种工作模式：主模式和从模式。工作在主模式下，不管是发送还是接收数据，SPICLK为整个串行通信网络提供时钟。串行数据发送时，首先发送的是最高有效位（MSB），时钟信号的1次作用对应1位数据的发送（SPISIMO）和另1位数据的接收（SPISOMI）。工作在从模式下，不管是发送还是接收数据，一直必需在SPICLK信号作用下停止，并且SPI_CS信號必需有效。1个典型的SPI系统包括一个主MCU和1个或几个从外围器件。
SPI主模式的数据接收时序见图1。
SPI主模式的数据发送时序见图2。
3.FPGA设计方案
本设计按一个默认数据通信速率（10Mbps）、时钟模式（无相位延时的下降沿）、主/从工作方式（主SPI模式）进行SPI数据的收发。可通过外部处理控制器对本模块进行各种通信参数的动态配置，以适应不同的通信速率、时钟模式、工作方式、数据长度等情况。配置完毕后，即可开始SPI数据的收发过程。
本设计中增加了一根主/从SPI方的握手信号线SPI_STATUS，该信号线在从SPI方发送数据时被从方拉为低电平，而在从SPI方接收数据时被从方设置为高电平。
根据SPI总线的原理，本设计分为两大功能模块：数据接收及协议解析、数据发送处理。该SPI串口模块系统框图如图3所示。
在这些子模块中，数据接收FIFO和数据发送FIFO用来做接收、发送数据的FIFO。通信参数配置单元供处理控制器读写配置SPI的各种参数。对外并行接口单元负责与外部处理控制器进行数据交互。串行数据接收、命令解析及中断产生单元完成串行数据接收、通信命令解析及产生中断信号通知处理控制器进行数据接收操作。串行时钟产生及收发控制单元用来发生主模式下的时钟信号，同时对数据的接收或者发送进行功能切换。串行数据发送处理单元负责把并行进来的数据串行传出，完成对数据发送的处理。
（1）数据接收及协议解析
当从SPI方发送数据的时刻到来时，本设计检测到状态线SPI_STATUS为“低”，则串行时钟产生及收发控制单元立即启动接收逻辑，对外输出串行时钟SPICLK信号和选通信号SPI_CS，同时在SPICLK上升沿时刻进行数据采样，并将串行数据进行相应缓存。
每当采样数据构成一个完整字节时，由接收模块将收到的数据存入“数据接收FIFO”，同时对串口数据中的特殊字段进行协议解析。过程如下：先检索收全数据同步头字节“AAH AAH”后，对后面接收的完整字节进行+1计数处理，再检索收到串口数据总长度字节后，判断已收到的字节总数是否达到串口数据总长度值。如果达到接收数据总长度值，则表示一帧数据命令接收完整，此处由接收模块置出“命令数据接收完整”标志；同时，当检测到状态线SPI_STATUS的上升沿到来，给出数据接收完毕中断标志信号int_rxd及时中断处理控制器，通知外部控制器读取数据进行处理，而不必每接收到1个字节就中断一次，避免了主程序被频繁中断。
目前，本设计的接收FIFO和发送FIFO深度均设定为2048字节，可以缓存大量的通信数据，而不会将先前收到的数据覆盖，外部处理控制器可以在处理完其它紧要任务后，再来进行SPI数据的读取和后续处理，而不必担心已接收的SPI数据会丢掉。
接收数据的流程图如图4所示。
（2）数据发送处理
当需要发送SPI数据时，外部处理控制器将需要发送的所有数据依次写入本设计的“数据发送FIFO”中，再对本设计另一个地址单元写入“启动发送命令”后，即可启动数据发送模块发送数据。该模块实时判定数据发送FIFO是否为空，若FIFO内有数据则立即对外输出串行时钟SPICLK信号和选通信号SPI_CS，并在SPICLK的下降沿时刻对取出的数据进行发送，首先发送的是最高有效位（MSB）。即对主程序而言，就是向一特定地址写入所有需要发送的数据，再写入一个启动发送命令即可自动完成全部数据的发送，无需进行发送流程控制。
发送数据的流程图如图5所示。
4.电路完成
为了保证代码的准确性，首先应根据模块功能需求来编写相应测试向量作为本SPI模块的输入激励，然后经过查看模块的输出结果，判定本SPI模块的各项功能是否正确。
采用了XILINX公司的EDA编译软件平台ISE10.1，将用VHDL语言描述好的SPI接口模块进行了综合，然后用modelsim软件进行仿真。在建立测试平台时，首先建立模拟从SPI方数据发送的模块，同时建立模拟主SPI方数据发送的模块，再将接收/发送数据内容进行比较、验证。在仿真软件的辅助分析下，得到了正确的结果。仿真结果如图6所示。
仿真通过后，将整个设计工程文件经综合后的EDIF文件提交给ISE进行布局、布线后，把所生成的mcs文件下载到XILINX公司的FPGA芯片XC3S400中运行，结果与在modelsim中的仿真结果一致，该SPI总线接口模块能达到所要求实现的性能，具有很强的实用性。
5.结束语
本设计以FPGA为硬件平台，应用VHDL语言进行程序编制。可实现对SPI通信数据的自动接收和发送，也可由外部程序对该SPI串口进行快速配置，从而完成串口通信速率、时钟模式、工作方式、数据长度等的动态更改。
通过简单的程序复用，该设计可扩充为多路SPI数据通信接口，一方面弥补了常规处理控制器件（单片机、DSP等）所自带的SPI硬件串口操作繁琐、功能受限的不足，另一方面也把单片机、DSP从频繁的数据查询或数据中断中解放出来，从而投入更多精力到其它的功能控制中。
参考文献
[1]侯伯亨，顾新，编著.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安电子科技大学出版社，1999.
[2]孙丰军，余春暄.SPI串行总线接口的Verilog实现[J].现代电子技术，2005.