FPGA的SPI從機模塊實現

一. SPI總線協議

        SPI(Serial Peripheral Interface)接口，中文為串行外設接口。它只需要3根線或4根線即可完成通信工作（這里討論4根線的情況）。

        這4根通信線分別為NCS/NSS(片選信號)、SCK/SCLK(串行同步時鍾)、MOSI/SDO(主機輸出從機輸入，Master Output Slave Input)、MISO/SDI(主機輸入從機輸出)。

        SPI通信有四種方式，由CPOL(時鍾極性)、CPHA(時鍾相位)的4種組合決定的。CPOL決定總線空閑時，SCK是高電平還是低電平(CPOL=,0，無數據傳輸時，SCK=0；CPOL=1，無數據傳輸時，SCK=1)。CPHA決定在數據開始傳輸時，SCK第幾個跳變沿采集數據(CPHA=0，開始傳輸時，在第一個跳變沿采集數據，第二個跳變沿改變發送數據(即改變MISO或者MOSI線上電平)；CPHA=1，開始傳輸是，在第一個跳變沿改變發送的數據，在第二個跳變沿采集數據)（見圖1）。

圖1

        確立可靠通信前，必須保證主從機處於同一種的傳輸方式，這里為方便起見，專門以CPOL=0，CPHA=0的傳輸方式進行討論。 需要注意的是：在CPOL=0，CPHA=0的情況下，主從機都在SCK上跳沿對數據進行采集，SCK下跳沿改變總線電平（見圖2）。

圖2

這里在使用FPGA實現SPI模塊時，做一個規定：

1. 使用CPOL=0,、CPHA=0的傳輸方式；

2. 傳輸時，以最高位先輸出，最后輸出最低位；

3. FPGA實現的SPI模塊作從機，SCK由外部主機提供；

4. 通信數據長度為8位。

二. FPGA的SPI從機實現

        實現SPI從機，可以分為兩個模塊：一個是SPI接收模塊，另一個則是SPI發送模塊。

1. 首先確定模塊的輸出輸入管腳

        由標題一可以知道，SPI通信腳有4根線，我們還是用到時鍾總線和模塊復位腳，因此模塊管腳可以定義為

module myspi(nrst, clk, ncs, mosi, miso, sck);

input clk, nrst;
input ncs, mosi, sck;
output miso;

2. SCK跳變沿檢測

        原理十分簡單：使用寄存器記錄SCK狀態，由狀態判斷SCK是否出現跳變沿。

reg[2:0] sck_edge;
	always @ (posedge clk or negedge nrst)
	begin
		if(~nrst)
		begin
			sck_edge <= 3'b000;
		end
		else
		begin
			sck_edge <= {sck_edge[1:0], sck};
		end
	end

wire sck_riseedge, sck_falledge;
	assign sck_riseedge = (sck_edge[2:1] == 2'b01);  //檢測到SCK由0變成1，則認為發現上跳沿
	assign sck_falledge = (sck_edge[2:1] == 2'b10);  //檢測到SCK由1變成0，則認為發現下跳沿

3. SPI接收部分

        SPI接收部分使用有限狀態機：

狀態1：等待SCK上跳沿，並將MOSI的數據移入 移位寄存器byte_received， 接收位數寄存器bit_received_cnt記錄接收到的數據位數，接收到8位數據后轉入狀態2；

狀態2：保存移位寄存器byte_received數據到 接收緩存器rec_data， 接收標志位/接收緩存器非空標志位rec_flag置高4個clk時鍾周期后轉入狀態3；

狀態3：清除rec_flag並轉入狀態1。

reg[7:0] byte_received;
	reg[3:0] bit_received_cnt;
	reg rec_flag;
	reg[1:0] rec_status;  //SPI接收部分狀態機
	reg[7:0] rec_data;
	reg[2:0] rec_flag_width;  //SPI接收完成標志位脈沖寬度寄存器
	always @ (posedge clk or negedge nrst)  //每次sck都會接收數據，spi的頂端模塊狀態機決定是否取用
	begin
		if(~nrst)
		begin
			byte_received <= 8'h00;
			bit_received_cnt <= 4'h0;
			rec_flag <= 1'b0;
			rec_status <= 2'b00;
			rec_flag_width <= 3'b000;
		end
		else
		begin
			if(~ncs)
			begin
				case (rec_status)
				2'b00: begin
					if(sck_riseedge)
					begin
						byte_received <= {byte_received[6:0], mosi};
						if(bit_received_cnt == 4'h7)
						begin
							bit_received_cnt <= 4'b0000;
							rec_status <= 2'b01;
						end
						else
						begin
							bit_received_cnt <= bit_received_cnt+1;
						end
					end
				end
				2'b01: begin
					rec_data <= byte_received;
					rec_flag <= 1'b1;
					if(rec_flag_width==3'b100) begin
						rec_flag_width <= 3'b000;
						rec_status <= 2'b11;
					end
					else begin
						rec_flag_width <= rec_flag_width+1;
					end
				end
				2'b11: begin
					rec_flag <= 1'b0;
					rec_status <= 2'b00;
				end
				endcase
			end		
		end
	end

    這里，使用rec_flag的原因是通知另一個模塊處理接收數據(后面將會提到)，rec_data若在下一次數據傳輸完成前不做處理則會丟失。

4. SPI發送部分

        SPI從機一般在解析主機發送的命令后，主動發出主機所需數據，所以，SPI發送部分，需要其他模塊的觸發，並將數據送往MISO管腳。

  SPI發送部分也離不開狀態機：

狀態1：等待 發送觸發標志位send_flag置高，一旦標志位send_flag置高， 發送移位寄存器 byte_sended存儲外部觸發模塊的數據send_data，miso管腳輸出發送數據最高位send_data[7]，置位 正在發送標志位sending_flag，轉入狀態2；

狀態2：等待SCK上跳沿，即等待主機接收數據最高位后進入狀態3；(其實這個狀態可有可無的狀態)

狀態3：在SCK下跳沿，將發送移位寄存器byte_sended最高位移入miso管腳，當發送移位寄存器被移空，清除正在發送標志位sending_flag，進入狀態4；

狀態4：置低miso管腳，轉入狀態1。

reg miso;
	reg sending_flag;  //正在發送標志位
	reg[7:0] byte_sended;  //發送移位寄存器
	reg[3:0] bit_sended_cnt;  //SPI發送位計數器
	reg[1:0] send_status;  //SPI發送部分狀態機
	always @ (posedge clk or negedge nrst)
	begin
		if(~nrst)
		begin
			byte_sended <= 8'h00;
			bit_sended_cnt <= 4'b0000;
			send_status <= 2'b00;
			sending_flag <= 1'b0;
		end
		else
		begin
			if(~ncs)
			begin
				case (send_status)
				2'b00: begin
					if(send_flag) 
					begin  //鎖存發送數據
						send_status <= 2'b01;  //2'b01;
						byte_sended <= send_data;
						sending_flag <= 1'b1;
						miso <= send_data[7];
					end
				end
				2'b01: begin  //發送數據移入移位寄存器
					if(sck_riseedge) begin
						//miso <= byte_sended[7];
						//byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
						send_status <= 2'b11;
					end
				end
				2'b11: begin  //根據sck下降沿改變數據
					miso <= byte_sended[7];
					if(sck_falledge)   ///---------------------------------------這里多移了一位
					begin
						//miso <= byte_sended[7];
						byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
						if(bit_sended_cnt == 4'b0111)
						begin
							send_status <= 2'b10;
							bit_sended_cnt <= 4'b0000;
							sending_flag <= 1'b0;
						end
						else
						begin
							bit_sended_cnt <= bit_sended_cnt+1;
						end
					end
				end
				2'b10: begin  //數據發送完畢
					send_status <= 2'b00;
					//sending_flag <= 1'b0;
					miso <= 1'b0;
				end
				endcase
			end
		end
	end

經過實測，SCK頻率低於clk頻率8倍以上，通信可靠穩定，測試芯片為XC3S50-TQ144，平台為ISE，clk為25MHz。