一種可復用的高速SPI總線的設計

1 引言

長期以來，外圍設備與主機CPU速度之間的不匹配始終困擾著人們，影響了計算機系統更迅速的發(fā)展，成為系統基本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設備之間的接口性能。

目前，嵌入式系統已經廣泛應用于通信、消費類電子產品等許多領域。然而，在許多應用中，處理器的接口問題依然是制約系統性能的瓶頸。對于給定的設計，設計者面對這些紛繁蕪雜的接口標準選擇的余地并不大。他們一般根據系統所需的成本及功能選擇合適的標準產品，這可能導致接口標準沖突和引起互用性問題;或許設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的成本要求等。

在過去幾年里，用于消除IC、電路板和系統之間數據傳輸瓶頸的接口標準層出不窮，為通信系統器件所提供的接口技術種類繁多。在數字系統設計中解決接口和互用性問題顯得尤為重要， FPGA技術的迅速發(fā)展使得接口問題有了好的解決方案。例如，現有的高性能接口IP及高速物理I/O的FPGA，可滿足10Gb/s以上數據通道的通信系統的要求;可以用FPGA實現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 接口設計方法。

SPI(Serial Peripheral Interface)串行外設接口總線[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，故得到廣泛應用。在很多新型器件如LCD模塊、FLASH、EEPROM存儲器、數據輸入、輸出設備上都采用了SPI接口。但在實際開發(fā)應用中，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用給數據傳輸帶來不便。在FPGA技術迅速發(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。

這里根據業(yè)界通用的SPI總線的標準，設計一種可復用的高速SPI總線。設計過程中很多變量都采用參數形式，具體應用于工程實踐時根據實際需要更改參數即可，充分體現了可復用性。

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備之間傳送信息，其連接方式如圖1。

SPI 總線中所有的數據傳輸由串行時鐘SCK來進行同步，每個時鐘脈沖傳送1 比特數據。SCK 由主機產生，是從機的一個輸入。時鐘的相位(CPHA)與極性(CPOL)可以用來控制數據的傳輸。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據傳輸模式。如果CPHA =“0”，數據在信號SS 聲明后的第一個SCK 邊沿有效。而當CPHA=“1”時, 數據在信號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，每一位數據的發(fā)送/接收需要1 次時鐘作用;而在從模式下， 每一位數據都是在接收到時鐘信號之后才發(fā)送/接收。1個典型的SPI系統包括一個主MCU和1個或幾個從外圍器件。

3 設計原理

本系統用硬件描述語言verilog描述，是可IP復用的通用結構。

3.1 典型應用

SPI 接口的典型應用如圖2所示，微處理器與從設備通過發(fā)送指令的方式實現雙向數據傳輸。

3.2 模塊設計

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

3.2.1 時鐘產生模塊SPI-clgen設計

SPI時鐘分頻模塊中的時鐘信號的來源是外部系統提供的時鐘clk_in，此時鐘的頻率高于SPI總線使用的時鐘頻率，模塊會根據各個不同接口的時鐘分頻因子寄存器，產生相應的時鐘輸出信號clk_out作為串行時鐘。由于SPI沒有應答機制，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，對奇分頻的實現方式做了改動同時也能實現偶分頻的情況，經過這樣設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分頻，可以簡單地用一個Moore機來實現。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，但增加了可靠性。

Master核系統輸入時鐘clk-in通過divider分頻產生clk-out，通過改變divider的值，可以實現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設計[5]

數據傳輸模塊是SPI的核心模塊。此模塊負責把并行進來的數據串行傳出，串行進來的數據并行傳出。對于并行進來的數據位寬比較長，比如128位的數據時，為了提高傳輸的速度，本文設計工作中犧牲了資源改進了以前的保守的SPI模塊。SPI Master核在主機側作為slave設備接收數據，同時作為master設備發(fā)送數據。此模塊verilog代碼經ISE綜合后如圖6所示。

3.2.3 頂層TOP模塊

本文在分析協議的基礎上建立了高速可復用SPI總線的基本結構，包括時鐘生成模塊，數據傳輸模塊，并用上層TOP模塊調用底層的兩個模塊。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)機控制調用時鐘生成模塊和數據傳輸模塊正常運行。其經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協議的master模塊，同時建立模擬SPI協議的slave模塊，再將接收/發(fā)送數據和地址進行比較、校驗。SPI-topTestbench總體架構如圖8所示。

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

用ISE軟件進行編譯，將生成的網表文件通過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果。

5 結束語

隨著半導體技術的進步，FPGA 的價格越來越便宜， 工作頻率越來越高，使用FPGA 實現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總線中對系統時鐘奇分頻時會出現分頻出的時鐘不穩(wěn)定的問題。數據傳輸模塊采用較簡潔的并串互轉結構，一次最多可傳輸128位，速度是遵守SPI協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的位數為定值的情況。