一．SPI协议简要介绍

SPI，是英语Serial Peripheral Interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。
  SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于 CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。

SPI总线有四种工作方式(SP0, SP1, SP2, SP3)，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。

SPI主模块和与之通信的外设时钟相位和极性应该一致。

以下是SPI时序图：

   主要讲解一下广泛使用的两种方式设置：

SPI0方式：CPOL=0，CPHA=0；SCK空闲状态为低电平，第一个跳变沿（上升沿）采样数据，无论对Master还是Slaver都是如此。

SPI3方式：CPOL=1，CPHA=1；SCK空闲状态为高电平，第二个跳变沿（上升沿采样数据，无论对Master还是Slaver都是如此。

其实对于SPI0和SPI1发送与接收数据，可以总结为一句话：上升沿采样数据，下降沿发送数据。全双工同时进行，当然，必须在CS拉低使能情况下。

二．FPGA作为Slaver实现SPI3方式与STM32通信

1.STM32方面：用库函数配置SPI1，设置CPOL=1，CPHA=1.

2.FPGA方面：

（1）通过边沿检测技术得出SCK上升沿与下降沿标志,用于下面状态机中的数据采样及发送。

（2）根据时序图，采用2个状态机分别在SCK上升沿实现数据采样，下降沿实现数据发送。无论是采样还是发送，都是高位在前，从Bit[7]到Bit[0]，共8位数据。

（3）最后通过边沿检测技术得出数据采样完成标志，用于用户操作。

以下是SPI3的时序图：

三.Verilog代码部分

测试工程代码:实现了STM32每隔200ms发送流水灯数据给FPGA，使FPGA系统板上的4个LED灯实现流水操作；同时，FPGA每隔1s发送计数数据给STM32，并在STM32系统板上的LCD屏出来，即:显示0-9循环计数。

但下面的代码只是SPI作为从机的驱动部分，包括SPI发送数据与接收数据。

: `& M8 @1 P; l+ J7 m5 y1 |

1. /***********************************************************************
   
2. 　　   ****************** name：SPI_Slaver_Driver **************
   ( W6 `1 i7 C2 H" w+ }- O
3. 　　          ********** author：made by zzuxzt **********
   8 F% n* z7 [$ y. G  `
4. 　　   ****************** time：2014.4.29 **********************
   6 ~8 L( m6 G7 E0 i4 ~% I( ~6 {3 x  I
5. ***********************************************************************/
   
6. //use SPI 3 mode,CHOL = 1,CHAL = 1
   ; x4 w% ]" _; d6 e& j$ r
7. module spi(input clk,
   
8.               input rst_n,
   ( s+ o6 H+ u" {/ u) F9 x) e
9.               input CS_N,
   
10.               input SCK,
    
11.               input MOSI,
    
12.               input [7:0] txd_data,
    
13.               output reg MISO,
    
14.               output reg [7:0] rxd_data,
    . J( z" r  S8 ?) y; a) D7 h9 }
15.               output rxd_flag); 　　//recieve done,please transmit data
    
16. 
    6 v! T4 \$ ], d
17. //-------------------------capture the sck-----------------------------
    " A+ @2 [, ~, d4 R4 ~; q. p
18. reg sck_r0,sck_r1;
    
19. wire sck_n,sck_p;
    
20. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    4 [* |& J' r0 `- K8 R; G
21. begin
    * L. }1 I, P( v  `
22.     if(!rst_n)
    
23.         begin
    . {9 H6 u. o+ y6 ]) {" Q+ O# |2 J
24.             sck_r0 <= 1'b1;   //sck of the idle state is high
    : Q3 d9 I" a. E$ `( T/ V5 s8 n% G
25.             sck_r1 <= 1'b1;
    
26.         end
    9 K) j# z; w6 F. `" ^& |8 b
27.     else
    0 {* L4 u# Z9 C/ X8 Q8 U
28.         begin
    # V3 c: G. t. D/ r3 y3 \+ J) B
29.             sck_r0 <= SCK;
    
30.             sck_r1 <= sck_r0;
    ) \  a! M0 j# P( ]  J
31.         end
    
32. end
    ; `: G9 x, X  }+ |" d, f' E
33. 
    
34. assign sck_n = (~sck_r0 & sck_r1)? 1'b1:1'b0;   //capture the sck negedge
    
35. assign sck_p = (~sck_r1 & sck_r0)? 1'b1:1'b0;   //capture the sck posedge
    
36. 
    1 U% Q' I8 V$ V0 B9 k. X
37. //-----------------------spi_slaver read data-------------------------------
    
38. reg rxd_flag_r;
    ' h$ p7 ]7 N7 J" ]  r( P
39. reg [2:0] rxd_state;
    2 ^" e2 k+ M% Z
40. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    
41. begin
    ) d  R4 d$ m8 T
42.     if(!rst_n)
    , e6 l# ?6 u" d+ A3 ?" T
43.         begin
      j1 C. x" R( `; s, v1 q0 m% G
44.             rxd_data <= 1'b0;
    
45.             rxd_flag_r <= 1'b0;
    
46.             rxd_state <= 1'b0;
    
47.         end
    
48.     else if(sck_p && !CS_N)
    / \3 E5 T, o: a% j6 c. Z" E/ O
49.         begin
    
50.             case(rxd_state)
    
51.                 3'd0:begin
    3 Q. L6 e& ^/ P
52.                         rxd_data[7] <= MOSI;
    8 Y. W- t& W( ~( z+ i& |
53.                         rxd_flag_r <= 1'b0;   //reset rxd_flag
    4 w0 D5 Y0 [7 r
54.                         rxd_state <= 3'd1;
    5 S! V, [3 f, M# H7 m) i
55.                       end
    
56.                 3'd1:begin
    
57.                         rxd_data[6] <= MOSI;
    4 l. Z& w6 L5 {, q+ F4 a5 n
58.                         rxd_state <= 3'd2;
    
59.                       end
    0 ^* V- x6 V' A: u# u
60.                 3'd2:begin
    
61.                         rxd_data[5] <= MOSI;
    / a$ `6 w% }& D8 o% F
62.                         rxd_state <= 3'd3;
    
63.                       end
    7 X+ W/ {) Y. _
64.                 3'd3:begin
    8 i$ P; j8 u8 t% z3 y
65.                         rxd_data[4] <= MOSI;
    * @/ w! ]; `1 Y' C+ J; g
66.                         rxd_state <= 3'd4;
    
67.                       end
    
68.                 3'd4:begin
    
69.                         rxd_data[3] <= MOSI;
    
70.                         rxd_state <= 3'd5;
    
71.                       end
    ) x* n: W, ^, t. G
72.                 3'd5:begin
    6 `7 v' Y5 K1 E3 P& A0 o7 z
73.                         rxd_data[2] <= MOSI;
    / e, ^6 {: Q  C7 M: \& x
74.                         rxd_state <= 3'd6;
    
75.                       end
    
76.                 3'd6:begin
    
77.                         rxd_data[1] <= MOSI;
    & O1 o, k6 G. d8 g( r  \$ ?
78.                         rxd_state <= 3'd7;
    4 b& _# h/ I1 ^6 M
79.                       end
    # m9 \3 q8 I$ S( z1 k/ {8 s
80.                 3'd7:begin
    % N' {. Z# R, c
81.                         rxd_data[0] <= MOSI;
    & I5 B' E5 V& |% l3 f
82.                         rxd_flag_r <= 1'b1;  //set rxd_flag
    % z$ ~9 G$ G& z# ^6 |. \( s1 u/ Q
83.                         rxd_state <= 3'd0;
    . v' }% [. G& {2 j( |' F& L
84.                       end
    
85.                 default: ;
    - ^( }5 M. v. z; S' u" ^
86.             endcase
    . P5 u: E; O: R4 i! t. ]- o/ v; U
87.         end
    
88. end
    * ]  f/ @7 Q; g% k7 _' j
89. 
    
90. 
    
91. //--------------------capture spi_flag posedge--------------------------------
    
92. reg rxd_flag_r0,rxd_flag_r1;
    
93. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    7 X0 r6 Q7 A, C
94. begin
    . I5 ~& v5 z! u1 i! X
95.     if(!rst_n)
    ! f  F' s' p1 H# G2 f: A# X8 N- H
96.         begin
    ) F7 M- g9 ?6 L2 t) P$ v
97.             rxd_flag_r0 <= 1'b0;
    
98.             rxd_flag_r1 <= 1'b0;
    8 c4 }0 E  i& R
99.         end
    
100.     else
     
101.         begin
     8 x# j+ @) G6 Y# B8 l1 r
102.             rxd_flag_r0 <= rxd_flag_r;
     
103.             rxd_flag_r1 <= rxd_flag_r0;
     6 ~3 K- c  ]/ E# O; ~
104.         end
     ; P+ Q- R9 X  ~* B& @; S
105. end
     
106. 
     . W9 G; Y: r5 I
107. assign rxd_flag = (~rxd_flag_r1 & rxd_flag_r0)? 1'b1:1'b0;
     
108. 
     - `& s; ~2 E& F. u5 u2 {
109. //---------------------spi_slaver send data---------------------------
     6 r2 n& N2 l, b
110. reg [2:0] txd_state;
     
111. always@(posedge clk or negedge rst_n)
     & E' z( u) C& p' G% s0 C
112. begin
     1 u! t- ]1 U* U8 c% C' U
113.     if(!rst_n)
     - ]2 y9 g! }5 n% h
114.         begin
     
115.             txd_state <= 1'b0;
     7 Z7 I: T# [- e. O6 a' d' E
116.         end
       J8 j. q0 q- ?$ D' v" c
117.     else if(sck_n && !CS_N)
     % x- D; ~7 l7 {
118.         begin
     
119.             case(txd_state)
     : K: r$ f! }; ]0 @0 f% L* o
120.                 3'd0:begin
     
121.                         MISO <= txd_data[7];
     
122.                         txd_state <= 3'd1;
     
123.                       end
     
124.                 3'd1:begin
     # t7 E* x) [" W/ X; E+ a
125.                         MISO <= txd_data[6];
     / v7 Q% D& G# X, B
126.                         txd_state <= 3'd2;
     
127.                       end
     7 e, ^6 V& J! L7 C+ b
128.                 3'd2:begin
     
129.                         MISO <= txd_data[5];
     " H  Q; |+ u0 y, e4 z
130.                         txd_state <= 3'd3;
     : {( u6 Z$ V6 v2 ?( t4 Y. y
131.                       end
     " x2 L7 U( N- L% D& ]# m7 H
132.                 3'd3:begin
     
133.                         MISO <= txd_data[4];
     
134.                         txd_state <= 3'd4;
     
135.                       end
     
136.                 3'd4:begin
     
137.                         MISO <= txd_data[3];
     
138.                         txd_state <= 3'd5;
     
139.                       end
     ) I/ m$ m% W) U) |% `2 ?( n; l
140.                 3'd5:begin
     
141.                         MISO <= txd_data[2];
     
142.                         txd_state <= 3'd6;
     % D8 ?( t+ s: K# X; u# k
143.                       end
     ' ^" K- ?) R1 M- y" b3 D+ E
144.                 3'd6:begin
     ! F2 I! M* |1 `* g. D
145.                         MISO <= txd_data[1];
     
146.                         txd_state <= 3'd7;
       }# U- N9 ^0 X) v/ o6 x, R
147.                       end
     
148.                 3'd7:begin
     + ?' N/ H1 n! @, K( V6 G; a" p
149.                         MISO <= txd_data[0];
     + ^$ A6 O+ L' \, M7 c1 Q
150.                         txd_state <= 3'd0;
     
151.                       end
     5 O* r/ Q+ |; s) G0 l: _: W
152.                 default: ;
     
153.             endcase
     * r- _4 Y5 v, \8 J, r7 c2 ?: ~3 R
154.         end
     
155. end
     3 H/ A' z3 I9 S: a9 f
156. 
     
157. endmodule

复制代码

/ x4 D- \8 e2 G$ T$ i+ B
8 N3 p7 F+ _9 `- ?. _3 I# j. x& ~
3 H( V; ?9 U; A, [, W/ V4 X# F
8 }: _; a/ X8 ~1 H