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。: j; T8 g" d, J8 G9 y/ ~; R
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。 5 j6 }+ |; Z$ C$ O- m
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。 2 }* e, ]1 m. U/ t7 \. [
- /***********************************************************************
P9 n0 ?& Y, E) a8 z+ w - ****************** name:SPI_Slaver_Driver **************. M6 y9 W6 V. J' N
- ********** author:made by zzuxzt **********% l- v% k4 J2 o O9 S1 o
- ****************** time:2014.4.29 **********************
, \0 Q: t; d- J* E/ k" |6 I - ***********************************************************************/9 N5 ]" p! x+ v( r @% O" z
- //use SPI 3 mode,CHOL = 1,CHAL = 1
- t/ M0 L7 x/ G. j - module spi(input clk,1 \4 q; }5 v+ x, K1 s
- input rst_n,
7 Q! l0 j* ]. w - input CS_N,
( D5 x0 Y% o* u1 p. p - input SCK,; w W# G/ {. W& c9 m
- input MOSI,. _4 S5 L8 E5 q$ J6 I, p: B
- input [7:0] txd_data,
6 V' G) |# `, C5 \, ^ - output reg MISO,& l, A9 L- @* g, y# x! U
- output reg [7:0] rxd_data,
0 z+ C. k% n S - output rxd_flag); //recieve done,please transmit data
& N1 w. A- p* K. w" m' y
2 P+ D# u* B# f, L' j- //-------------------------capture the sck-----------------------------. @; w Y" z' }" R
- reg sck_r0,sck_r1;
/ _$ a" J0 \' G3 c8 P - wire sck_n,sck_p;
+ E l0 F4 P. Q' f# f/ n# I - always@(posedge clk or negedge rst_n)
* ?! ]2 M3 q6 ~: Y+ H - begin d- O( N1 i& P
- if(!rst_n)
% G9 t" L2 D, s2 u3 \& k1 F; g' B3 w - begin$ c' L' N& u+ p5 M
- sck_r0 <= 1'b1; //sck of the idle state is high
% B( y3 c8 j, v - sck_r1 <= 1'b1;2 k T, I/ x- M1 Y4 f; b* p9 A
- end
' r- a1 C& E% r; e+ j - else
) r' D7 ]: C T3 H2 w1 a - begin. _# y) R2 } P# {+ O4 }2 T
- sck_r0 <= SCK;
, A* T* B5 ? O) y# k - sck_r1 <= sck_r0;) W2 T/ X) Z+ u" @- ?' A
- end
/ f2 U& c w: O- r - end+ p' t8 }4 B5 Q d/ o/ b
- J6 q; n; H# L- o) j- assign sck_n = (~sck_r0 & sck_r1)? 1'b1:1'b0; //capture the sck negedge) G/ z' G( F- ?- R* _- B0 P% k* |
- assign sck_p = (~sck_r1 & sck_r0)? 1'b1:1'b0; //capture the sck posedge( U7 }5 N3 o( l" H# v2 e2 x
- / ^0 P: L, M( [& S4 o
- //-----------------------spi_slaver read data-------------------------------. Y& ?4 u8 Q1 D7 f2 Z* D4 x& o
- reg rxd_flag_r;
' M8 T1 @" u, ~' i* }2 y - reg [2:0] rxd_state;
! a: Y- M- ^' Z- j. Y5 D) P! j - always@(posedge clk or negedge rst_n)% [# j) M n( u: M: _7 A8 L, e
- begin( ^! {8 d$ V) @3 Q; h
- if(!rst_n)5 M/ z7 _& k- t1 _% \* ?
- begin& q+ J* x& l) a% [4 Q
- rxd_data <= 1'b0;8 z5 r/ w( i! L; o
- rxd_flag_r <= 1'b0;
2 x( Y, ?. e/ n7 Y - rxd_state <= 1'b0;9 ^2 i$ R) }: f" o7 v# J
- end
6 p, h! w4 m1 B - else if(sck_p && !CS_N)% U" i: }, {) u2 M6 s3 }6 s
- begin
3 k6 x4 R+ q0 F- {& k - case(rxd_state)
7 s* q9 ^; M7 j- @ - 3'd0:begin, A! F, |. [! g0 y
- rxd_data[7] <= MOSI;
6 C$ D& h3 g; C" W - rxd_flag_r <= 1'b0; //reset rxd_flag6 {( O" ~& h Q4 X% \! y3 t
- rxd_state <= 3'd1;
9 h O- Z' u4 R9 G3 | - end
% {7 G* ` @& X; G7 f8 F* _ - 3'd1:begin- ?+ g& x2 ^6 [+ b
- rxd_data[6] <= MOSI;
6 s( q; r- n% p3 {* w7 C: ] - rxd_state <= 3'd2;, r- [% [7 [( M4 H9 A
- end4 _1 N5 K1 e% N, ?9 H; y' [
- 3'd2:begin& J4 e2 c' G5 z, D, n9 F
- rxd_data[5] <= MOSI;! j! _ ^7 [. U4 z
- rxd_state <= 3'd3;3 A6 r$ n( G3 x9 | k
- end
, {' I! x% X! N8 _8 q( u - 3'd3:begin5 ~5 J! U5 ^1 |+ }6 _$ I
- rxd_data[4] <= MOSI;& |3 \* h7 d$ [. t) E5 p
- rxd_state <= 3'd4;
6 ]- n# l1 ^+ _1 r: y) M; p - end
0 P( E# N7 u3 g$ {2 E4 w; t - 3'd4:begin8 x; m: Y7 ?7 e [! ^/ J" u* x
- rxd_data[3] <= MOSI;0 N0 U+ ]+ b6 p# A4 `
- rxd_state <= 3'd5;
5 C2 Y( V% ~/ _% `/ a/ n/ ]8 ^ - end* ^* I7 P; |* r3 B" a
- 3'd5:begin; P/ c$ @, \ C7 |
- rxd_data[2] <= MOSI;
# d. ?4 d. d7 m8 A7 V* u" B - rxd_state <= 3'd6;+ x L0 l, {* g" X; `
- end v' A0 H1 G1 L& \+ ] H. d
- 3'd6:begin
T9 x8 C' r! D1 L, a8 Q - rxd_data[1] <= MOSI;; ^* R C0 J" C# U+ u$ S1 Y/ F
- rxd_state <= 3'd7;' R$ u f8 L5 u2 b ]* X( O! i
- end
) K/ t2 @+ }3 P/ Z - 3'd7:begin8 o4 D" D) b/ v e3 w. v# S
- rxd_data[0] <= MOSI;7 Q* @* h4 I- z$ p* v( v) Q
- rxd_flag_r <= 1'b1; //set rxd_flag: v: L) V4 o# k5 D6 K
- rxd_state <= 3'd0;
( d- N7 E: _# Y! ?6 i# `0 F - end
" o' f9 u6 C, y$ Y) r- ? - default: ;
8 i j2 W8 v, G- J; H0 O8 F- V$ |/ s - endcase$ X% y5 t$ K2 d$ V
- end9 s; ?, M; Y; r7 Z+ ?. J2 b9 X
- end! }" f. G5 y, b3 i
- $ M0 X5 E, Z1 H( Y8 Z9 m3 d
- 2 \) h* v) R: M' K
- //--------------------capture spi_flag posedge--------------------------------
- _( k) e: B: z$ K$ A - reg rxd_flag_r0,rxd_flag_r1;
3 Z6 M$ [" J2 w2 M4 k0 B8 a( ~2 v/ o - always@(posedge clk or negedge rst_n)4 f3 i. C; t/ }4 z0 G5 k
- begin+ T: t) J d/ V: m& F# E
- if(!rst_n)
& K' k' ~+ Z9 ~3 w% ]1 F - begin3 i9 @" _; h D
- rxd_flag_r0 <= 1'b0;
3 ~, g+ @! O+ V3 U: N3 {7 p4 `2 l' X - rxd_flag_r1 <= 1'b0;
0 `" j* Z% Y4 Y0 ? - end, _3 ~# F V/ G# b* ^6 B8 E; O2 V
- else9 V+ y8 o1 m8 L ?" d7 M& X0 N" _
- begin2 t% W8 [7 N: N1 I
- rxd_flag_r0 <= rxd_flag_r;
7 _3 F6 c ^7 I# ~ - rxd_flag_r1 <= rxd_flag_r0;0 ~( l. X* P4 m4 G4 F
- end
P( X' t" P/ J+ C - end
6 h( L. I* `2 v! A0 p: g - + [ R+ b, Y$ \: ~/ E, b! I
- assign rxd_flag = (~rxd_flag_r1 & rxd_flag_r0)? 1'b1:1'b0; \1 Q4 F2 ^2 Y
- \4 f8 S- v9 x$ k; C3 C- //---------------------spi_slaver send data---------------------------
. ^% n) x+ f' C; T, { - reg [2:0] txd_state;
6 |8 J3 ]3 k2 P4 J* O% j - always@(posedge clk or negedge rst_n)6 `, U# j. z2 y, H' F5 K
- begin
: A5 \8 Y) J4 @( K% `2 a - if(!rst_n)
3 I2 @8 d! c4 d) @7 N - begin& G: N) Y( Y6 U/ @
- txd_state <= 1'b0;# _* K% N& [0 N7 j
- end
$ _! b! I' s& W9 N0 e( a% X - else if(sck_n && !CS_N)
% ]7 { }6 w1 ]: t# [9 G - begin
6 z) k1 X; S3 t4 r) K, o8 d) K" { - case(txd_state)( L9 a1 E; `! W3 @
- 3'd0:begin7 @6 K G ?# U
- MISO <= txd_data[7];/ i# d, v+ H* f% n( X% H
- txd_state <= 3'd1;
: `2 n1 P, `! w. W& d" ~' | - end2 Y0 M: q. [; \8 `$ o
- 3'd1:begin/ q9 u8 @- Z. T8 Z
- MISO <= txd_data[6];
6 ~+ k% S4 W; t4 d! p - txd_state <= 3'd2;
: k. e; F" Y1 l' N N5 T# T0 q# D - end. a4 X/ u8 X6 k
- 3'd2:begin4 @& f: }* V. ^" |5 R9 _
- MISO <= txd_data[5];- ^. ^/ B l! f2 T ^; C5 X; e
- txd_state <= 3'd3;( L6 K' }" F' I1 `# t/ D. w
- end- ?. y, n1 e- W! {0 I6 r2 Q
- 3'd3:begin* _- y$ c- }% _+ n( \) x
- MISO <= txd_data[4];
( U, g) P' a1 o) Z! f - txd_state <= 3'd4;
* N/ Q8 b, Y4 [' Z2 v - end4 ^1 B2 i2 v8 o
- 3'd4:begin
) P7 Y" z- H! N - MISO <= txd_data[3];7 |* U; n; ]2 `
- txd_state <= 3'd5;
7 p! Q+ }6 W& _* J- ]3 {) R$ i - end
9 [% T1 W- C! X: M( I) X( M F2 Z - 3'd5:begin: {2 m8 u" C$ C+ L* {$ |
- MISO <= txd_data[2];
6 M7 K$ B& Z# T0 c+ a9 c - txd_state <= 3'd6;0 h) ]4 A; {; e" k) R
- end
6 D o4 M; ^. E, H - 3'd6:begin
- j) W2 x$ x3 p6 k - MISO <= txd_data[1];; \) c4 a9 s' _ X
- txd_state <= 3'd7;
, l% Y/ |1 T; G - end
z! m" h: O6 M - 3'd7:begin/ G |" H, Q5 S
- MISO <= txd_data[0];5 I: L: O, t A9 m: I
- txd_state <= 3'd0;
! f0 J& x& z6 i$ M& [; h) X) _" r1 R - end
# ^6 _% R- V* M3 r+ K4 @ - default: ;
" B+ A2 U, E5 g4 ? - endcase' G# M( b/ s9 B" ~
- end
, u* Y& d6 c: Q# Q8 f6 z) m7 c - end7 M% Y- |% p1 u
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- endmodule
复制代码 7 h0 U' P- Y4 g2 h
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, ~9 J# j* H% ~5 w/ k8 P! u* u* I4 Z4 B" R8 e0 F( r
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