基于fpga的spi接口設(shè)計(jì)-展示頁
2025-06-27 15:35本頁面
【正文】 寄存器數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。四、SPI協(xié)議SPI接口是一種事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并沒有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，大部分廠家都是參照Motorola的SPI接口定義來設(shè)計(jì)的，但正因?yàn)闆]有確切的版本協(xié)議，不同廠家產(chǎn)品的SPI接口在技術(shù)上存在一定的差別，容易引起歧義，有的甚至無法互聯(lián)（需要用軟件進(jìn)行必要的額修改）。由于每一種模式都與其他三種不兼容，因此為了完成主、從設(shè)備間的通訊，主、從設(shè)備的 CPOL 和 CPHA 必須有相同的設(shè)置。 （4）SPI3 模式下的 CPOL 為 1，SCK的空閑電平為高；CPHA 為 1，數(shù)據(jù)在串行同步時(shí)鐘的第 2 個(gè)跳變沿（由于 CPOL 為高，因此第 1 個(gè)跳變沿只能為上升沿）時(shí)數(shù)據(jù)被采樣。 （2）SPI1 模式下的 CPOL 也為 0，SCK的空閑電平為低；但是 CPHA 為 1，數(shù)據(jù)在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)跳變沿（由于 CPOL 為低，因此第 2 個(gè)跳變沿只能為下降沿）時(shí)數(shù)據(jù)被采樣。其中，時(shí)鐘極性表示時(shí)鐘信號在空閑時(shí)的電平；時(shí)鐘相位決定數(shù)據(jù)是在 SCK的上升沿采樣還是下降沿采樣。三、SPI傳輸模式SPI 的工作模式分為主模式和從模式，二者都需要在 SCK 的作用下才能工作；但主模式不需要 CS 信號，而從模式必須在 CS 信號有效的情況下才能完成。要注意的是，其是在主控制器輸出時(shí)鐘SCLK的控制下，在SCLK的上升沿或者下降沿讀出一個(gè)數(shù)據(jù)輸出給主設(shè)備。在多個(gè)從設(shè)備的系統(tǒng)中，每個(gè)從設(shè)備需要獨(dú)立的使能信號，硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關(guān)器件的文檔。也就是說，主設(shè)備通過對SCK時(shí)鐘線的控制可以完成對通訊的控制。同樣，在一個(gè)基于SPI的設(shè)備中，至少有一個(gè)主控設(shè)備。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOST和低電平有效的從機(jī)選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT或INT、有的SPI接口芯片沒有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI)。基于ISE的SPI接口的仿真設(shè)計(jì)一、SPI介紹SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等?！ PI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（單向傳輸時(shí)）。 （1）MOSI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入 （2）MISO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出 （3）SCLK – 時(shí)鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生 （4）CS – 從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制 其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時(shí)（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。 接下來就負(fù)責(zé)通訊的3根線了。這就是SCK時(shí)鐘線存在的原因，由SCK提供時(shí)鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。 要注意的是，SCK信號線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號線。這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。 在點(diǎn)對點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。二、SPI工作模式SPI由工作方式的不同，可分為兩種模式：主模式和從模式（1） 主模式將Master的數(shù)據(jù)傳送給Slave，8位數(shù)據(jù)傳送，傳送完畢，申請中斷，如圖所示：MOSIMOSISCLKSCLK SPI工作主模式（2） 從模式此時(shí)，從控制器從SIMO引腳接收串行數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)移入自身移位寄存器的最低位或最高位。其傳播模型如下圖所示：MISOCSSCLKMISOCSSCLKSPI工作從模式須注意的是，主設(shè)備可以再在任意時(shí)刻起動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，因?yàn)樗刂浦鳶CLK信號，而在從模式下，從控制器要發(fā)送數(shù)據(jù)，必須要用先設(shè)置片選信號以確保使能端CS輸入允許。不論是在主模式下還是在從模式下，都要在時(shí)鐘極性（CPOL）和時(shí)鐘相位（CPHA）的配合下才能有效地完成一次數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位的不同組合，可以得到 SPI 總線的4 種工作模式，如圖所示：SPI四種傳輸模式（1）SPI0 模式下的 CPOL 為 0，SCK的空閑電平為低；CPHA 為 0，數(shù)據(jù)在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（由于 CPOL 為低，因此第 1 個(gè)跳變沿只能為上升沿）時(shí)數(shù)據(jù)被采樣。 （3）SPI2 模式下的 CPOL 為 1，SCK的空閑電平為高；CPHA 為 0，數(shù)據(jù)在串行同步時(shí)鐘的第1個(gè)跳變沿（由于 CPOL 為高，因此第 1 個(gè)跳變沿只能為下降沿）時(shí)數(shù)據(jù)被采樣。 在上述 4 種模式中，使用的最為廣泛的是 SPI0 和 SPI3 方式。讀者需要注意的是：如果主設(shè)備/從設(shè)備在 SCK上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，則從設(shè)備/主設(shè)備最好在下降沿采樣數(shù)據(jù)；如果主設(shè)備/從設(shè)備在SCK下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，則從設(shè)備/主設(shè)備最好在 SCK上升沿采樣數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)基于一種使用較為普遍的協(xié)議來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過簡單協(xié)議來理解并設(shè)計(jì)SPI接口功能。我們假設(shè)主機(jī)的 8 位寄存器 SPIDATA1 內(nèi)的數(shù)據(jù)是10101010，而從機(jī)的 8 位寄存器 SPIDATA2 內(nèi)的數(shù)據(jù)是 01010101，在上升沿的時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)，在下降沿的時(shí)候接收數(shù)據(jù)，最高位的數(shù)據(jù)先發(fā)送，主機(jī)和從機(jī)之間全雙工通信，也就是說兩個(gè) SPI接口同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，如圖所示。CSMISOMOSISCLKCS1010101001010101MSBSPIDATA1LSBMSBLSBSPIDATA2如圖所示，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)上升沿來的時(shí)候，SPIDATA1 將最高位 1 移除，并將所有數(shù)據(jù)左移1位， 這時(shí) MOSI 線為高電平
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