一種可復(fù)用的高速SPI總線的設(shè)計

1 引言

長期以來，外圍設(shè)備與主機CPU速度之間的不匹配始終困擾著人們，影響了計算機系統(tǒng)更迅速的發(fā)展，成為系統(tǒng)基本I/O的瓶頸問題。隨著計算機處理能力及存儲規(guī)模的迅速增長，這個問題表現(xiàn)得更加突出。為此人們采取了各種軟、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。

目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、消費類電子產(chǎn)品等許多領(lǐng)域。然而，在許多應(yīng)用中，處理器的接口問題依然是制約系統(tǒng)性能的瓶頸。對于給定的設(shè)計，設(shè)計者面對這些紛繁蕪雜的接口標準選擇的余地并不大。他們一般根據(jù)系統(tǒng)所需的成本及功能選擇合適的標準產(chǎn)品，這可能導(dǎo)致接口標準沖突和引起互用性問題;或許設(shè)計者可能重新選擇與接口兼容的標準器件，但可能會造成不能滿足功能需要或系統(tǒng)的成本要求等。

在過去幾年里，用于消除IC、電路板和系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的接口標準層出不窮，為通信系統(tǒng)器件所提供的接口技術(shù)種類繁多。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中解決接口和互用性問題顯得尤為重要， FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展使得接口問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以上數(shù)據(jù)通道的通信系統(tǒng)的要求;可以用FPGA實現(xiàn)接口不兼容器件間的通信問題。因此本文將提出一種新的基于FPGA 的SPI 接口設(shè)計方法。

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，由于其連線簡單，使用起來非常方便，故得到廣泛應(yīng)用。在很多新型器件如LCD模塊、FLASH、EEPROM存儲器、數(shù)據(jù)輸入、輸出設(shè)備上都采用了SPI接口。但在實際開發(fā)應(yīng)用中，若主控制器無SPI接口或需要與多個具有SPI接口的外設(shè)通信，就要使用主控制器的I/O

口通過軟件來模擬，這就在很大程度上限制了其應(yīng)用給數(shù)據(jù)傳輸帶來不便。在FPGA技術(shù)迅速發(fā)展的時代，解決這個問題最方便的辦法就是集成一個SPI核到芯片上。

這里根據(jù)業(yè)界通用的SPI總線的標準，設(shè)計一種可復(fù)用的高速SPI總線。設(shè)計過程中很多變量都采用參數(shù)形式，具體應(yīng)用于工程實踐時根據(jù)實際需要更改參數(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：串行時鐘線(SCK)，主機輸出從機輸入線(MOSI)，主機輸入從機輸出線(MISO)，還有一根是從機選擇線(SS)，它們在與總線相連的各個設(shè)備之間傳送信息，其連接方式如圖1。

SPI 總線中所有的數(shù)據(jù)傳輸由串行時鐘SCK來進行同步，每個時鐘脈沖傳送1 比特數(shù)據(jù)。SCK 由主機產(chǎn)生，是從機的一個輸入。時鐘的相位(CPHA)與極性(CPOL)可以用來控制數(shù)據(jù)的傳輸。CPOL=“0”表示SCK 的靜止狀態(tài)為低電平，CPOL =“1”則表示SCK 靜止狀態(tài)為高電平。時鐘相位(CPHA)可以用來選擇兩種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式。如果CPHA =“0”，數(shù)據(jù)在信號SS 聲明后的第一個SCK 邊沿有效。而當CPHA=“1”時, 數(shù)據(jù)在信號SS聲明后的第二個SCK 邊沿才有效。因此，主機與從機中SPI 設(shè)備的時鐘相位和極性必須要一致才能進行通信。

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 次時鐘作用;而在從模式下， 每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時鐘信號之后才發(fā)送/接收。1個典型的SPI系統(tǒng)包括一個主MCU和1個或幾個從外圍器件。

3 設(shè)計原理

本系統(tǒng)用硬件描述語言verilog描述，是可IP復(fù)用的通用結(jié)構(gòu)。

3.1 典型應(yīng)用

SPI 接口的典型應(yīng)用如圖2所示，微處理器與從設(shè)備通過發(fā)送指令的方式實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 模塊設(shè)計

根據(jù)SPI 總線的原理，本設(shè)計的SPI Master同SPI協(xié)議兼容，在主機側(cè)的設(shè)計相當于wishbone總線[2]規(guī)范兼容的slave設(shè)備，總體架構(gòu)可分為以下3個功能模塊[3]：Clock generator、Serial interface、Wishbone interface如圖3所示。

3.2.1 時鐘產(chǎn)生模塊SPI-clgen設(shè)計

SPI時鐘分頻模塊中的時鐘信號的來源是外部系統(tǒng)提供的時鐘clk_in，此時鐘的頻率高于SPI總線使用的時鐘頻率，模塊會根據(jù)各個不同接口的時鐘分頻因子寄存器，產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘輸出信號clk_out作為串行時鐘。由于SPI沒有應(yīng)答機制，所以傳輸時對時序的要求就相當嚴格，為了能夠保證時序的可靠性，特別設(shè)計了一個無論對于奇分頻還是偶分頻都異?？煽康臅r鐘生成模塊產(chǎn)生傳輸所需要的串行時鐘。

此模塊重點考慮了奇分頻的情況，為了節(jié)省資源，對奇分頻的實現(xiàn)方式做了改動同時也能實現(xiàn)偶分頻的情況，經(jīng)過這樣設(shè)計的時鐘分頻模塊能保證分頻出可靠的時鐘信號。對輸入主時鐘的同步奇整數(shù)分頻，可以簡單地用一個Moore機來實現(xiàn)。比如，5分頻的狀態(tài)圖如圖4所示，編碼采用Moore機而非Mealy機，雖然增加了狀態(tài)數(shù)，但增加了可靠性。

Master核系統(tǒng)輸入時鐘clk-in通過divider分頻產(chǎn)生clk-out，通過改變divider的值，可以實現(xiàn)任意分頻的時鐘輸出[4]。其頻率表達式如下：

用verilog語言描述時鐘產(chǎn)生模塊，用ISE綜合后，其生成電路如圖5所示。

3.2.2 串行接口模塊SPI-shift設(shè)計[5]

數(shù)據(jù)傳輸模塊是SPI的核心模塊。此模塊負責(zé)把并行進來的數(shù)據(jù)串行傳出，串行進來的數(shù)據(jù)并行傳出。對于并行進來的數(shù)據(jù)位寬比較長，比如128位的數(shù)據(jù)時，為了提高傳輸?shù)乃俣?，本文設(shè)計工作中犧牲了資源改進了以前的保守的SPI模塊。SPI Master核在主機側(cè)作為slave設(shè)備接收數(shù)據(jù)，同時作為master設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。此模塊verilog代碼經(jīng)ISE綜合后如圖6所示。

3.2.3 頂層TOP模塊

本文在分析協(xié)議的基礎(chǔ)上建立了高速可復(fù)用SPI總線的基本結(jié)構(gòu)，包括時鐘生成模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，并用上層TOP模塊調(diào)用底層的兩個模塊。頂層模塊的重要作用就是讓分模塊能夠順利的運作起來。所以此SPI核的頂層模塊要寫入控制字，通過狀態(tài)機控制調(diào)用時鐘生成模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊正常運行。其經(jīng)ISE綜合后如圖7所示。

4 仿真與驗證

將用verilog 描述好的SPI 接口電路用ISE進行綜合，然后用modelsim 軟件進行仿真[6]。在建立測試平臺時，首先要建立模擬Wishbone協(xié)議的master模塊，同時建立模擬SPI協(xié)議的slave模塊，再將接收/發(fā)送數(shù)據(jù)和地址進行比較、校驗。SPI-topTestbench總體架構(gòu)如圖8所示。

為了簡單仿真8bit數(shù)據(jù)傳輸[7]，首先進行復(fù)位，然后設(shè)置寄存器，再進行寄存器校驗，無誤之后進行8bit數(shù)據(jù)傳輸，在tx上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，rx下降沿接收數(shù)據(jù)，仿真波形如圖9所示。同理可以仿真64bit、128bit等數(shù)據(jù)傳輸仿真波形。

用ISE軟件進行編譯，將生成的網(wǎng)表文件通過JTAG下載到xilinx 公司的spartan3 系列FPGA運行，在ISE 的輔助分析下得到了正確的結(jié)果。

5 結(jié)束語

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，F(xiàn)PGA 的價格越來越便宜， 工作頻率越來越高，使用FPGA 實現(xiàn)SPI 通信接口是切實可行的。

由于SPI對傳輸時序要求非常嚴格，所以本文工作中設(shè)計了一種比較可靠，穩(wěn)定的時鐘生成模塊，它對于奇偶分頻的情況分別考慮，從而避免了以往SPI總線中對系統(tǒng)時鐘奇分頻時會出現(xiàn)分頻出的時鐘不穩(wěn)定的問題。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用較簡潔的并串互轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，一次最多可傳輸128位，速度是遵守SPI協(xié)議的同類器件里較快的。并且從128位到8位可選具體一次要傳輸多少位，有別于以往一次傳輸?shù)奈粩?shù)為定值的情況。