基于FPGA的SPI總線接口的實(shí)現(xiàn)

0 引言
串行接口已成為當(dāng)前傳輸接口的發(fā)展趨勢(shì)，原因在于串行的高速率傳輸性能和較簡(jiǎn)單的線路連接。在已知的外圍器件連接端口中，有USB，wishbone和并行端口。其中SPI接口總線基于串行傳輸?shù)乃枷?，已?jīng)制定成為標(biāo)準(zhǔn)，成為常用的外圍器件連接方式。針對(duì)FLASH這種常用的外圍存儲(chǔ)器件，有多種接口可供選擇，然而具有SPI接口的FLASH芯片硬件連接方便，通過(guò)FPGA編程可以便捷地實(shí)現(xiàn)FLASH的存取功能。因此基于FPGA的具有SPI總線接口的FLASH功能實(shí)現(xiàn)為工程設(shè)計(jì)提供了一種原型，為進(jìn)一步的工程開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 SPI總線介紹
1．1 SPI總線簡(jiǎn)介
同步外設(shè)接口(serial peripheral，interface，SPI)是由摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的全雙工同步串行總線。SPT是一種串行同步通信協(xié)議，由1個(gè)主設(shè)備和1個(gè)或多個(gè)從設(shè)備組成，主設(shè)備啟動(dòng)一個(gè)與從設(shè)備的同步通信，從而完成數(shù)據(jù)的交換。
1．2 SPI總線接口及時(shí)序
SPI接口由SDI(串行數(shù)據(jù)輸入)，SDO(串行數(shù)據(jù)輸出)，SCK(串行移位時(shí)鐘)，CS(從使能信號(hào))四種信號(hào)構(gòu)成，CS決定了惟一的與主設(shè)備通信的從設(shè)備，如沒(méi)有CS信號(hào)，則只能存在一個(gè)從設(shè)備，主設(shè)備通過(guò)產(chǎn)生移位時(shí)鐘來(lái)發(fā)起通信。通信時(shí)，數(shù)據(jù)由SDO輸出，SDI輸入，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿或下降沿從SDO輸出，在緊接著的下降沿或上升沿由SDI讀入，這樣經(jīng)過(guò)8／16次時(shí)鐘改變，完成8／16位數(shù)據(jù)的傳輸。
在SPI傳輸中，數(shù)據(jù)是同步進(jìn)行發(fā)送和接收的。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘基于來(lái)自主處理器的時(shí)鐘脈沖，摩托羅拉沒(méi)有定義任何通用SPI時(shí)鐘規(guī)范。然而，最常用的時(shí)鐘設(shè)置基于時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)兩個(gè)參數(shù)；CPOL定義SPI串行時(shí)鐘的活動(dòng)狀態(tài)，而CPHA定義相對(duì)于數(shù)據(jù)位的時(shí)鐘相位。CPOL和CPHA的設(shè)置決定了數(shù)據(jù)取樣的時(shí)鐘沿。
SPI模塊為了與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性(CPOL)對(duì)傳輸協(xié)議沒(méi)有大的影響。如果CPOL=0，串行同步時(shí)鐘的空間狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1，串行同步時(shí)鐘的空間狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位(CPHA)能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設(shè)時(shí)鐘相位與極性應(yīng)該一致。SPI接口時(shí)序如圖1所示。

2 基于FPGA的SPI接口設(shè)計(jì)
SPI接口適用于主芯片與從芯片的連接，在一個(gè)FPGA系統(tǒng)中，充當(dāng)主芯片的為FPGA可編程芯片，而FLASH芯片作為外圍從芯片通過(guò)SPI接口連接至FPGA芯片。該系統(tǒng)選用Lattice公司的FPGA芯片，該公司的產(chǎn)品線齊全，其中ECP2M系列芯片功能全面，開(kāi)發(fā)成本低廉。ECP2M系列芯片支持SPI接口，通過(guò)硬件電路的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)即可完成SPI接口的物理連接，進(jìn)一步利用Lattice的工程開(kāi)發(fā)EDA軟件進(jìn)行FPGA編程，實(shí)現(xiàn)SPI接口控制。對(duì)接口的設(shè)計(jì)采用RAM作為讀／寫緩沖，完成主程序和FLASH之間的數(shù)據(jù)交換，各模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2中ram_wr寫端口數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為32位，地址深度設(shè)為128位；讀端口為1位位寬，這是由SPI端口的串行性決定的；ram_rd讀端口與ram _wr寫端口相對(duì)應(yīng)。RAM模塊如圖3所示。

3 SPI接口實(shí)現(xiàn)及FLASH功能驗(yàn)證
3．1 M25P64串行FLASH芯片介紹
M25P64串行芯片由STMicro公司生產(chǎn)，它具有64 Mb容量，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)50 MHz同時(shí)采用SPI總線接口。該FLASH芯片的存儲(chǔ)空間劃分為128區(qū)，每區(qū)為65 536 B。在芯片中，其中D為數(shù)據(jù)串行輸入端；C為時(shí)鐘輸入；為低電平有效片選信號(hào)；和分別為寫保護(hù)和暫停保持輸入，Q為串行輸出端。該芯片的指令豐富，功能完備，常用的指令如：讀／寫使能、讀／寫狀態(tài)寄存器、讀數(shù)據(jù)、頁(yè)編程以及區(qū)塊擦除等。