基于FPGA的可復(fù)用通信接口設(shè)計(jì)

摘要：集成電路設(shè)計(jì)越來(lái)越向系統(tǒng)級(jí)的方向發(fā)展，解決模塊間的接口問(wèn)題顯得尤為重要。 SPI 串行總線是一種常用的標(biāo)準(zhǔn)接口，其使用簡(jiǎn)單方便而且占用系統(tǒng)資源少，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 本文將介紹一種新的通用的SPI 總線的FPGA 實(shí)現(xiàn)方法。

1、引言

長(zhǎng)期以來(lái)，外圍設(shè)備與主機(jī)CPU速度之間的不匹配始終困擾著人們，影響了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更迅速的發(fā)展。 隨著計(jì)算機(jī)處理能力及存儲(chǔ)規(guī)模的迅速增長(zhǎng)，這個(gè)問(wèn)題表現(xiàn)得更加突出。雖然已經(jīng)采取了各種軟、硬件的 方法，不斷地改善著CPU與I/O設(shè)備之間的接口性能。然而，在許多應(yīng)用中接口問(wèn)題依然是制約系統(tǒng)性能的 瓶頸。對(duì)于特定的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者面對(duì)紛繁蕪雜的接口標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)系統(tǒng)所需的成本及功能選擇合適的標(biāo) 準(zhǔn)產(chǎn)品，這可能導(dǎo)致接口標(biāo)準(zhǔn)沖突和引起互用性問(wèn)題；或許重新選擇與接口兼容的標(biāo)準(zhǔn)器件，但又可能會(huì) 造成不滿足功能需要或成本要求等。

FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展使得接口問(wèn)題有了好的解決方案。例如，現(xiàn)有的高性能接口IP及高速物理I/O的 FPGA，可滿足10Gb/s以上的通信系統(tǒng)的要求；而且用FPGA解決接口不兼容器件間的通信問(wèn)題。因此本文 將提出一種新的基于FPGA 的SPI 接口設(shè)計(jì)方法。

SPI(Serial Peripheral Interface)串行外設(shè)接口總線[1]是一種同步全雙工串行通信接口總線。由于其連線 簡(jiǎn)單使用方便，故得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，若主控制器無(wú)SPI接口或需要與多個(gè)具有SPI接口的 外設(shè)通信，就要使用主控制器的I/O口通過(guò)軟件來(lái)模擬，這就在很大程度上限制了其應(yīng)用且給數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái) 不便。在FPGA技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，解決這個(gè)問(wèn)題最方便的辦法就是集成一個(gè)SPI核到芯片上。

這里根據(jù)業(yè)界通用的SPI總線的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一種可復(fù)用的高速SPI總線。設(shè)計(jì)過(guò)程中很多變量都采用參 數(shù)形式，具體應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)根據(jù)實(shí)際需要更改參數(shù)即可，充分體現(xiàn)了可復(fù)用性。

2、 SPI 總線原理

SPI 總線由四根線組成：串行時(shí)鐘線(SCK)，主機(jī)輸出從機(jī)輸入線(MOSI)，主機(jī)輸入從機(jī)輸出線(MISO)， 還有一根是從機(jī)選擇線(SS)，它們?cè)谂c總線相連的各個(gè)設(shè)備之間傳送信息，其連接方式如圖1。

圖1.SPI總線示意圖

SPI 總線中所有的數(shù)據(jù)傳輸由串行時(shí)鐘SCK 來(lái)進(jìn)行同步，每個(gè)時(shí)鐘脈沖傳送1 比特?cái)?shù)據(jù)。SCK 由主機(jī)產(chǎn) 生，是從機(jī)的一個(gè)輸入。時(shí)鐘的相位(CPHA)與極性(CPOL)可以用來(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸。CPOL=“0”表示SCK 的靜止?fàn)顟B(tài)為低電平，CPOL =“1”則表示SCK 靜止?fàn)顟B(tài)為高電平。時(shí)鐘相位(CPHA)可以用來(lái)選擇兩種 不同的數(shù)據(jù)傳輸模式。如果CPHA =“0”，數(shù)據(jù)在信號(hào)SS 聲明后的第一個(gè)SCK 邊沿有效。而當(dāng)CPHA=“1” 時(shí), 數(shù)據(jù)在信號(hào)SS聲明后的第二個(gè)SCK 邊沿才有效。因此，主機(jī)與從機(jī)中SPI 設(shè)備的時(shí)鐘相位和極性必須 要一致才能進(jìn)行通信。

SPI 可工作在主模式或從模式下。在主模式下，每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送／接收需要1 次時(shí)鐘作用；而在從 模式下， 每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時(shí)鐘信號(hào)之后才發(fā)送／接收。1個(gè)典型的SPI系統(tǒng)包括一個(gè)主MCU和1 個(gè)或幾個(gè)從外圍器件。