FPGA实现的SPI协议（一）----SPI驱动

写在前面

        SPI协议系列文章：

                FPGA实现的SPI协议（一）----SPI驱动

                FPGA实现的SPI协议（二）----基于SPI接口的FLASH芯片M25P16的使用

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1、什么是SPI协议

        SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）通讯协议，是 Motorola 公司提出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工、同步通信总线，在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输，广泛用于 EEPROM、Flash、RTC（实时时钟）、ADC（数模转换 器）、DSP（数字信号处理器）以及数字信号解码器上，是常用的、重要的低速通讯协议之一。

        SPI 通讯协议的优点是支持全双工通信，通讯方式较为简单，且相对数据传输速率较快；缺点是没有指定的流控制，没有应答机制，在数据可靠性上有一定缺陷。

2、SPI协议详述 2.1、SPI协议物理层

        SPI 通讯设备的通讯模式是主从通讯模式，通讯双方有主从之分，根据从机设备的数量，SPI 通讯设备之间的连接方式可分为一主一从和一主多从。

         

        SPI总线传输只需要4根线就能完成，这四根线的作用分别如下：

• SCK (Serial Clock)：时钟信号线，用于同步通讯数据。由通讯主机产生，决定了通讯的速率，不同的设备支持的最高时钟频率不同
• MOSI (Master Output， Slave Input)：主设备输出/从设备输入引脚。主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，数据方向由主机到从机
• MISO (Master Input，Slave Output)：主设备输入/从设备输出引脚。主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，数据方向由从机到主机
• CS (Chip Select)：片选信号线。当有多个 SPI 从 设备与 SPI 主机相连时，设备的其它信号线 SCK、MOSI 及 MISO 同时并联到相同的 SPI 总线上，即无论有多少个从设备，都共同使用这 3 条总线；而每个从设备都有独立的片选信号线，即有多少个从设备，就有多少条片选信号线。相当于由SPI构成的通信系统中，通过CS片选信号来决定通信的从机设备是哪一台。通信期间低电平有效，表示对应从机被选中

2.2、SPI 协议层

        SPI总线传输一共有4种模式，这4种模式分别由时钟极性(CPOL，Clock Polarity)和时钟相位(CPHA，Clock Phase)来定义，其中CPOL参数规定了SCK时钟信号空闲状态的电平，CPHA规定了数据是在SCK时钟的上升沿被采样还是下降沿被采样。

                SPI总线的极性--时钟极性

                        时钟极性决定SPI总线空闲时的时钟信号是高电平还是低电平。CPOL = 1：表示空闲时是高电平；CPOL = 0：表示空闲时是低电平。

                SPI总线的相位--时钟相位

                        时钟相位决定SPI总线从哪个跳变沿开始采样数据。CPHA = 0：在时钟信号SCK的第1个跳变沿采样；CPHA = 1：在时钟信号SCK的第2个跳变沿采样。

        这四种模式的时序图如下图所示：

• 模式0：CPOL= 0，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换
• 模式1：CPOL= 0，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换
• 模式2：CPOL= 1，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换
• 模式3：CPOL= 1，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换

        经常用到的是模式0和模式3（毕竟在下降沿采集数据的还是少）。下图描述了4种模式数据线MOSI和MISO的数据切换(Toggling)位置和数据采样位置的关系。

2.3、SPI协议通信过程

        下面以模式 0 为例，讲解一下 SPI 基本的通讯过程：

        SCK、MOSI、CS_N 信号均由主机控制产生， SCK 是时钟信号，用以同步数据，MOSI 是主机输出从机输入信号，主机通过此信号线传输数据给从机，CS_N 为片选信号，用以选定从机设备，低电平有效；而 MISO 的信号由 从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 CS_N 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。 

        在图中的标号1处，CS_N 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。CS_N 是每 个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 CS_N 线检测到起始信号后，就知道自己被主 机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号6处，CS_N 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

        SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI 及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用MSB 先行模式。 MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的下降沿期间变化输出， 在 SCK 的上升沿时被采样。即在 SCK 的上升沿时刻，MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI 及 MISO 为下一次表示数据做准备。

        SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

2.4、SPI协议的特性

• SPI协议是一主多从的架构，通过片选信号CS来区分不同的从机（寻址方式）
• SPI协议是一种同步（Synchronous）传输协议，通信双方通过主机生成的时钟信号SCK来作为数据交换的基准信号
• SPI协议是一种全双工的串行通信协议，通信过程中主从双方均可进行数据交换
• SPI协议具有4中通信模式，依据双方约定好的模式进行通信

2.5、SPI协议的优势、劣势

        优势：

• 全双工串行通信
• 简单的硬件结构
• 高速数据传输速率（相比UART、IIC）
• 灵活的数据传输方式，不限于8位，可以是任意大小的字

        劣势：

• 仅支持一个主设备
• 引脚略多（相比UART、IIC）
• 没有硬件从机应答信号（主机可能在不知情的情况下无处发送）

3、驱动代码的设计实现

        接下来实现的SPI驱动代码特性如下：MSB 先行；仅限模式0；每次传输8位（1个BYTE）。

3.1、接口定义与整体设计

        SPI驱动的整体框图、输入输出信号如下所示：

    其中信号描述如下： 

     

        该模块的使用方法如下：

• 拉高SPI传输开始信号spi_start一个周期，同时发送要传输的数据给data_send，等待数据发送完成后，该模块会将发送完成标志信号 send_done拉高一个周期，标志一个BYTE的数据通过SPI总线发送给了从机
• 同样的，当接收完成标志信号rec_done被该模块拉高后，则意味着，主机成功接收了一个BTYE从机发送过来的数据
• 当主机希望结束这次传输时，可将SPI结束信号spi_end拉高一个周期，则该模块会在发送最后一个模块后结束SPI传输，这也意味着，如果没有结束到SPI结束信号，则SPI传输会一直进行，以便实现多个BYTE的SPI传输

3.2、Verilog代码

        Verilog代码并不复杂，结合下图的SPI通信过程，可以发现以下要点：

• SCK很适合使用系统时钟的4分频时钟，因为在一个SCK内需要对其进行4次 *** 作
• 分别使用生成的SCK的上升沿、下降沿对其移位发送数据、接收数据即可
• 此外从下图可知，SPI的驱动非常适合使用状态机编写，有兴趣可以自己尝试一下

`timescale 1ns/1ns		//时间单位/精度	
// 模式0
module spi_drive
(
// 系统接口
    input               sys_clk		, 			// 全局时钟50MHz
    input               sys_rst_n	, 			// 复位信号，低电平有效
// 用户接口	
    input               spi_start	,			// 发送传输开始信号，一个高电平
    input              	spi_end		,			// 发送传输结束信号，一个高电平
    input        [7:0]  data_send   , 			// 要发送的数据
    output  reg  [7:0]  data_rec  	, 			// 接收到的数据
    output  reg         send_done	, 			// 主机发送一个字节完毕标志位    
    output  reg         rec_done	, 			// 主机接收一个字节完毕标志位    
// SPI物理接口
    input               spi_miso	, 			// SPI串行输入，用来接收从机的数据
    output  reg         spi_sclk	, 			// SPI时钟
    output  reg         spi_cs    	, 			// SPI片选信号,低电平有效
    output  reg         spi_mosi				// SPI输出，用来给从机发送数据          
);

reg	[1:0]	cnt;								//4分频计数器
reg	[3:0]	bit_cnt_send;						//发送计数器
reg	[3:0]	bit_cnt_rec;						//接收计数器
reg			spi_end_req;						//结束请求

//4分频计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		cnt <= 2'd0;						
	else if(!spi_cs)begin
		if(cnt == 2'd3)
			cnt <= 2'd0;
		else
		cnt <= cnt + 1'b1;		
	end
	else 
		cnt <= 2'd0;	
end
// 生成spi_sclk时钟
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		spi_sclk <= 1'b0;			//模式0默认为低电平					
	else if(!spi_cs)begin			//在SPI传输过程中
		if(cnt == 2'd0 )
			spi_sclk <= 1'b0;
		else if (cnt == 2'd2)
			spi_sclk <= 1'b1;
		else 
			spi_sclk <= spi_sclk;	
	end
	else 
		spi_sclk <= 1'b0;			//模式0默认为低电平		
end
// 生成片选信号spi_cs
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		spi_cs <= 1'b1;				//默认为高电平						
	else if(spi_start)				//开始SPI准备传输，拉低片选信号
		spi_cs <= 1'b0;
	//收到了SPI结束信号，且结束了最近的一个BYTE
	else if(spi_end_req && (cnt == 2'd1 && bit_cnt_rec == 4'd0))
		spi_cs <= 1'b1;				//拉高片选信号，结束SPI传输
end
// 生成结束请求信号(捕捉spi_end信号)
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		spi_end_req <= 1'b0;		//默认不使能					
	else if(spi_cs)					
		spi_end_req <= 1'b0;		//结束SPI传输后拉低请求
	else if(spi_end)				
		spi_end_req <= 1'b1;		//接收到SPI结束信号后就把结束请求拉高
end
// 发送数据过程--------------------------------------------------------------------

// 发送数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)begin
		spi_mosi <= 1'b0;						//模式0空闲
		bit_cnt_send <= 4'd0;
	end
	else if(cnt == 2'd0 && !spi_cs)begin		//模式0的上升沿
		spi_mosi <= data_send[7-bit_cnt_send];	//发送数据移位
		if(bit_cnt_send == 4'd7)				//发送完8bit
			bit_cnt_send <= 4'd0;
		else
			bit_cnt_send <= bit_cnt_send + 1'b1;	
	end
	else if(spi_cs)begin						//非传输时间段
		spi_mosi <= 1'b0;						//模式0空闲
		bit_cnt_send <= 4'd0;
	end
	else begin
		spi_mosi <= spi_mosi;
		bit_cnt_send <= bit_cnt_send;
	end
end
// 发送数据标志
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		send_done <= 1'b0;			
	else if(cnt == 2'd0 && bit_cnt_send == 4'd7)		//发送完了8bit数据
		send_done <= 1'b1;								//拉高一个周期，表示发送完成	
	else 
		send_done <= 1'b0;			
end

// 接收数据过程--------------------------------------------------------------------

// 接收数据spi_miso
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)begin
		data_rec <= 8'd0;		
		bit_cnt_rec <= 4'd0;
	end
	else if(cnt == 2'd2 && !spi_cs)begin				//模式0的上升沿
		data_rec[7-bit_cnt_rec] <= 	spi_miso;			//移位接收
		if(bit_cnt_rec == 4'd7)							//接收完了8bit
			bit_cnt_rec <= 4'd0;
		else
			bit_cnt_rec <= bit_cnt_rec + 1'b1;	
	end
	else if(spi_cs)begin								
		bit_cnt_rec <= 4'd0;
	end
	else begin
		data_rec <= data_rec;
		bit_cnt_rec <= bit_cnt_rec;
	end
end
// 接收数据标志
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)
		rec_done <= 1'b0;									
	else if(cnt == 2'd2 && bit_cnt_rec == 4'd7)			//接收完了8bit
		rec_done <= 1'b1;								//拉高一个周期，表示接收完成			
	else 
		rec_done <= 1'b0;					
end

endmodule

4、Testbench及仿真结果 4.1、单个BYTE的仿真

        使用该SPI驱动，向从机发送单个BYTE数据8‘b01010101，观察其仿真时序是否正确：

//------------------------------------------------
//--SPI驱动仿真（模式0，1个BYTE）
//------------------------------------------------
`timescale 1ns/1ns		//时间单位/精度

//------------<模块及端口声明>----------------------------------------
module tb_spi_drive();
//系统接口
reg				sys_clk		;			// 全局时钟50MHz
reg				sys_rst_n	;   		// 复位信号，低电平有效
//用户接口                      		
reg				spi_start 	;   		// 发送传输开始信号，一个高电平
reg				spi_end   	;   		// 发送传输结束信号，一个高电平
reg		[7:0]  	data_send   ;   		// 要发送的数据
wire  	[7:0]  	data_rec  	;   		// 接收到的数据
wire         	send_done	;   		// 主机发送一个字节完毕标志位    
wire         	rec_done	;   		// 主机接收一个字节完毕标志位    
//SPI物理接口                   		
reg				spi_miso	;   		// SPI串行输入，用来接收从机的数据
wire         	spi_sclk	;   		// SPI时钟
wire			spi_cs    	;   		// SPI片选信号
wire         	spi_mosi	;   		// SPI输出，用来给从机发送数据
//仿真用
reg		[3:0]  	cnt_send 	;			//发送数据计数器，0-15      

//------------<例化SPI驱动模块（模式0）>----------------------------------------
spi_drive	spi_drive_inst(
	.sys_clk		(sys_clk	), 			
	.sys_rst_n		(sys_rst_n	), 			
		
	.spi_start		(spi_start	), 			
	.spi_end		(spi_end	),
	.data_send		(data_send	), 			
	.data_rec  		(data_rec	), 			
	.send_done		(send_done	), 			
	.rec_done		(rec_done	), 			
				
	.spi_miso		(spi_miso	), 			
	.spi_sclk		(spi_sclk	), 			
	.spi_cs    		(spi_cs		), 			
	.spi_mosi		(spi_mosi	)			
);

//------------<设置初始测试条件>----------------------------------------
initial begin
	sys_clk = 1'b0;						//初始时钟为0
	sys_rst_n <= 1'b0;					//初始复位
	spi_start <= 1'b0;	
	data_send <= 8'd0;	
	spi_miso <= 1'bz;	
	spi_end <= 1'b0;	
	#80									//80个时钟周期后
	sys_rst_n <= 1'b1;					//拉高复位，系统进入工作状态
	#30									//30个时钟周期后拉高SPI开始信号，开始SPI传输
	spi_start <= 1'b1;data_send <= 8'b01010101;
	#20	
	spi_start <= 1'b0;
	@(posedge send_done)				//一个BYTE发送完成
	spi_end <= 1'b1;	#20	spi_end <= 1'b0;	//拉高一个周期结束信号	
	
end
	
//------------<设置时钟>----------------------------------------------
always #10 sys_clk = ~sys_clk;					//系统时钟周期20ns

endmodule

        仿真结果如下：

         可以看到，在拉高了spi_start开始传输信号后，主机开始发送数据，MOSI上的数据分别是01010101，发送完一个BYTE的数据后，send_done拉高。此时拉高结束信号spi_end，就终结了这次SPI传输，完成了单个BYTE的SPI传输。

4.2、多个BYTE的仿真

        使用该SPI驱动，依次向从机发送数据8‘d0~8‘d10，观察其仿真时序是否正确：

//------------------------------------------------
//--SPI驱动仿真（模式0）
//------------------------------------------------
`timescale 1ns/1ns		//时间单位/精度

//------------<模块及端口声明>----------------------------------------
module tb_spi_drive();
//系统接口
reg				sys_clk		;			// 全局时钟50MHz
reg				sys_rst_n	;   		// 复位信号，低电平有效
//用户接口                      		
reg				spi_start 	;   		// 发送传输开始信号，一个高电平
reg				spi_end   	;   		// 发送传输结束信号，一个高电平
reg		[7:0]  	data_send   ;   		// 要发送的数据
wire  	[7:0]  	data_rec  	;   		// 接收到的数据
wire         	send_done	;   		// 主机发送一个字节完毕标志位    
wire         	rec_done	;   		// 主机接收一个字节完毕标志位    
//SPI物理接口                   		
reg				spi_miso	;   		// SPI串行输入，用来接收从机的数据
wire         	spi_sclk	;   		// SPI时钟
wire			spi_cs    	;   		// SPI片选信号
wire         	spi_mosi	;   		// SPI输出，用来给从机发送数据
//仿真用
reg		[3:0]  	cnt_send 	;			//发送数据计数器，0-15      

//------------<例化SPI驱动模块（模式0）>----------------------------------------
spi_drive	spi_drive_inst(
	.sys_clk		(sys_clk	), 			
	.sys_rst_n		(sys_rst_n	), 			
		
	.spi_start		(spi_start	), 			
	.spi_end		(spi_end	),
	.data_send		(data_send	), 			
	.data_rec  		(data_rec	), 			
	.send_done		(send_done	), 			
	.rec_done		(rec_done	), 			
				
	.spi_miso		(spi_miso	), 			
	.spi_sclk		(spi_sclk	), 			
	.spi_cs    		(spi_cs		), 			
	.spi_mosi		(spi_mosi	)			
);

//------------<设置初始测试条件>----------------------------------------
initial begin
	sys_clk = 1'b0;						//初始时钟为0
	sys_rst_n <= 1'b0;					//初始复位
	spi_start <= 1'b0;	
	data_send <= 8'd0;	
	spi_miso <= 1'bz;	
	spi_end <= 1'b0;	
	#80									//80个时钟周期后
	sys_rst_n <= 1'b1;					//拉高复位，系统进入工作状态
	#30									//30个时钟周期后拉高SPI开始信号，开始SPI传输
	spi_start <= 1'b1;	#20	spi_start <= 1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
	if(!sys_rst_n)begin
		data_send <= 8'd0;			
		spi_end <= 1'b0;			
		cnt_send <= 4'd0; 		
	end
	else if(send_done)begin						//数据发送完成		
		if(cnt_send == 4'd10)begin		
			cnt_send <= 4'd0; 
			spi_end <= 1'b1;					//拉高结束标志，结束SPI传输过程	
			data_send <= 8'd0;
		end
		else begin
			cnt_send <= cnt_send + 4'd1; 
			spi_end <= 1'b0;					
			data_send <= data_send + 4'd1;		//发送数据累加	
		end
	end
	else begin
		data_send <= data_send;
		spi_end <= 1'b0;						//其他时候保持SPI传输（不结束）	
	end
end
	
//------------<设置时钟>----------------------------------------------
always #10 sys_clk = ~sys_clk;					//系统时钟周期20ns

endmodule

        仿真结果如下：

        可以看到，在拉高了spi_start开始传输信号后，主机一直在发送数据，MOSI上的数据分别是8‘d0~8‘d10，每次发送一个BYTE的数据后，send_done即拉高一次。当结束信号spi_end被拉高后，就终结了这次SPI传输。

5、其他

• 需要注意的是，由于没有从机响应，所以MISO都是高阻态（蓝色）
• 下篇文章再结合从机（FLASH芯片）进行仿真验证接收数据功能
• 想要整个工程的朋友可以在评论区留下邮箱