[导读] 最近使用ZYNQ做一个高速数据采集，需要访问一个ADI的高速模数采样芯片，该芯片是利用三线制实现读以及写的功能。三线制实现写通信或许大家都经常会这样用，三线制实现读/写或许有的朋友就未曾这样用过。今天就分享一下利用现成IP不写任何代码怎么实现三线制SPI。

背景

ADI很多芯片都采用三线制SPI进行控制，以AD9467为例，AD9467是一款 pipeline架构16位高速ADC芯片，采样率高达250MSPS。在一些复杂系统中其应用领域比较广泛：

• 多载波，多模式蜂窝接收机
• 天线阵列定位
• 功率放大器线性化
• 无线宽带通信系统
• 雷达系统
• 红外成像系统
• 通讯仪表系统等
  

从芯片框图，大致可以看出，该芯片主要由以下部分组成：

• 三线制SPI通信接口，实现芯片的寄存器读写控制。主要用于芯片模式配置。
• LVDS接口：则负责数据的对外传输，遵循ANSI-644 标准。
• CLK+/CLK-：为输入时钟，时钟之于数字芯片相当于心脏之于人，一切的动作都是由时钟驱动的。
• VIN+/VIN- ：差分输入，模拟信号输入通道。
  

对于芯片的其他部分，不是本文介绍的重点，这里来看看其SPI的通信时序图：

结合SPI模式时序图：

• 在上升沿采样
• 下一位数据在CLK低期间变换
  

故，CPOL=0,CPHA=0.

另外，第一个bit用于标识本次报文你发起的是读还是写操作，这种设计是不是有点类似I2C标准中的读写位？

柳暗花明

那么问题来了，我们需要做的SPI通信需要实现三线制SPI进行读以及写：

• 如果用单片机编程IO口去翻比较容易，但是要实现高速AD数据传输，常规的单片机就捉襟见肘了。LVDS接口的数据吞吐率很难做到。
• 如果使用ZYNQ内置的SPI外设也很容易，该外设很容易配成三线制模式。很不幸，外设引脚基本用掉了。不过可以考虑用EMIO把相应的脚从PL端拉出去。
• 如果利用ZYNQ PS端的GPIO也可以做到，也很不幸，做的板子PS端GPIO所剩无几。
• 利用赛灵思的AXI Quad SPI  IP在PL端去实现。折腾一段时间，发现这个IP貌似不支持三线制SPI。
• 自己用verilog HDL写个IP挂在AXI总线上，实现Linux设备驱动，这个方案可以。可惜，比较懒，不想重新造轮子！
• .......
  

经过一番折腾，在ADI官方发现了一个宝藏：

https://wiki.analog.com/resources/fpga/peripherals/spi_engine

官方实现了SPI engine IP 框架:

• 执行模块 Execution Module：主模块，用于处理SPI引擎命令流并实现SPI总线接口逻辑
• AXI接口模块：内存映射软件可访问SPI引擎命令流和/或卸载核心的接口
• Offload模块：存储SPI引擎命令流，由外部事件触发执行
• 互连Interconnect 模块：将多个SPI Engine命令流连接到SPI Engine执行模块
  

其verilog HDL代码库位于：

https://github.com/analogdevicesinc/hdl.git

PS/PL设计

下好hdl库，按照向导将库make,执行对应的tcl脚本，生成了hdl库相应所需文件。然后按照需要设计以下block设计：

• 将PS端的DDR以及PL所需的时钟FCLK_CLK0配置好，这里输出100MHz
• 从ip库里拉出来axi_spi_engine_v1_0以及spi_engine_execution_v1_0,按照上面图连好线
• 连好AXI接口，以及相应的复位、时钟信号等
• 设置需要几个片选信号，可根据需要几个从芯片可以设置多个片选信号，比如我设置2个，这样在linux设备树上就对应挂载两个设备。
  

然后在顶层设计文件进行例化，这里问题来了，spi_1还是4个脚，如果就这样拉出到PL端的引脚上，还是四线制，那么该怎么改呢？

看看wiki中图以及描述，发现需要还需要在转一下：

• 如果是三线模式时，three_wire会变成1，这个通过AXI总线命令传过来。
• sdo_t则可以控制sdo内部信号是否输出，如果门控关断则mosi脚变成高阻，可以采样外部信号，从而传入可以通过2路选择器传入sdi转而为读信号。
  

从而添加如下代码在顶层文件：

assign phy_sclk = spi_sclk;
assign phy_cs = spi_cs;
assign phy_mosi = spi_sdo_t ? 1'bz : spi_sdo;
assign spi_sdi = spi_three_wire ? phy_mosi : phy_miso;

比如，我是这样写的：

`timescale 1ns / 100ps
//顶层设计文件
module system_top (
//DDR信号
inout   [14:0]  ddr_addr,
inout   [ 2:0]  ddr_ba,
inout           ddr_cas_n,
inout           ddr_ck_n,
inout           ddr_ck_p,
inout           ddr_cke,
inout           ddr_cs_n,
inout   [ 3:0]  ddr_dm,
inout   [31:0]  ddr_dq,
inout   [ 3:0]  ddr_dqs_n,
inout   [ 3:0]  ddr_dqs_p,
inout           ddr_odt,
inout           ddr_ras_n,
inout           ddr_reset_n,
inout           ddr_we_n,
//必须的一些PS信号
inout           fixed_io_ddr_vrn,
inout           fixed_io_ddr_vrp,
//54个PS MIO引脚
inout   [53:0]  fixed_io_mio,
//PS时钟引脚
inout           fixed_io_ps_clk,
//PS上电复位信号
inout           fixed_io_ps_porb,
//PS SRSTB信号
inout           fixed_io_ps_srstb,
output [1:0]       spi_0_cs,
output             spi_0_sclk,
input              spi_0_sdi,
output             spi_0_sdo,
);
  
wire ip_spi_0_cs;
wire ip_spi_0_sclk;
wire ip_spi_0_sdi;
wire ip_spi_0_sdo;
wire ip_spi_0_three_wire;   
wire ip_spi_0_sdo_t;

assign spi_0_cs = ip_spi_0_cs;
assign spi_0_sclk = ip_spi_0_sclk;
//如此处理，这样引出的SPI可以兼容3线制以及4线制SPI
assign spi_0_sdo = ip_spi_0_sdo_t ? 1'bz : ip_spi_0_sdo;
assign ip_spi_0_sdi = ip_spi_0_three_wire ? spi_0_sdo : spi_0_sdi;

//例化block设计
ip_block_wrapper i_system_wrapper (
    //DDR以及常规MIO、时钟、复位等信号
    .DDR_addr(ddr_addr),
    .DDR_ba(ddr_ba),
    .DDR_cas_n(ddr_cas_n),
    .DDR_ck_n(ddr_ck_n),
    .DDR_ck_p(ddr_ck_p),
    .DDR_cke(ddr_cke),
    .DDR_cs_n(ddr_cs_n),
    .DDR_dm(ddr_dm),
    .DDR_dq(ddr_dq),
    .DDR_dqs_n(ddr_dqs_n),
    .DDR_dqs_p(ddr_dqs_p),
    .DDR_odt(ddr_odt),
    .DDR_ras_n(ddr_ras_n),
    .DDR_reset_n(ddr_reset_n),
    .DDR_we_n(ddr_we_n),
    .FIXED_IO_ddr_vrn(fixed_io_ddr_vrn),
    .FIXED_IO_ddr_vrp(fixed_io_ddr_vrp),
    .FIXED_IO_mio(fixed_io_mio),
    .FIXED_IO_ps_clk(fixed_io_ps_clk),
    .FIXED_IO_ps_porb(fixed_io_ps_porb),
    .FIXED_IO_ps_srstb(fixed_io_ps_srstb),      

      //连至顶层
    .spi_0_cs(ip_spi_0_cs),
    .spi_0_sclk(ip_spi_0_sclk),
    .spi_0_sdi(ip_spi_0_sdi),
    .spi_0_sdo(ip_spi_0_sdo),
    .spi_0_sdo_t(ip_spi_0_sdo_t),
    .spi_0_three_wire(ip_spi_0_three_wire)     
  );   
endmodule
Linux端配置

首先需要配置设备树：

&axi_spi_engine_0 {
    status = "okay";
    //配置SPI控制器匹配字段，这样会自动编译ADI 提供的SPI 控制器驱动
    compatible = "adi,axi-spi-engine-1.00.a";
    spi-rx-bus-width = <1>;
    spi-tx-bus-width = <1>;
    bits-per-word = <8>;
    interrupt-parent = <&intc>;
    interrupts = <0 30 4>;      
    num-cs = <4>;

    #address-cells = <0x1>;
    #size-cells = <0x0>;   
    ad9467_0: ad9467@0 {
        compatible = "adi,ad9467";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;

        spi-rx-bus-width = <1>;
        spi-tx-bus-width = <1>;
        bits-per-word = <8>;
        spi-3wire;        
    };

    ad9467_1: ad9467@1 {
        compatible = "spidev";
        reg = <1>;
        spi-max-frequency = <500000>;
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;        

        spi-rx-bus-width = <1>;
        spi-tx-bus-width = <1>;
        bits-per-word = <8>;
        //这个字段需要使能，表示该设备是三线制
        spi-3wire;           
    };      
};

基于ADI提高的Linux代码库：

https://github.com/analogdevicesinc/Linux

配置相应的SPI控制器驱动，然后编译部署。由于该demo涉及些项目其他的技术细节，这里就不描述了，来看看疗效：

看这个波形或许会有朋友问：为啥数据发送结束，SDO/SDI复用脚波形有一个上升的渐变暂态过程，这是由于此时从端芯片从输出态转为高阻态，而主端芯片此时也是高阻态，由于线路电容效应故而会有这样一个变化过程。

总结一下

利用ADI提高的IP库，不用敲一行代码可以很容易就实现了三线制SPI，香吧？该方案可以同时兼容三线制/四线制SPI，是一个成熟稳定的方案。为什么ZYNQ芯片这样一款SOC芯片以及Linux会被人喜欢，由此可见一斑。因为有大量成熟的轮子可供使用，而不必自己去造轮子。从而加速产品的研发进度，使用户可以专注于自己需要解决的应用问题。这里有一个tips拿走不谢：

在做应用开发时，首先梳理出需求，要干什么？去往哪里？但别急着撸代码，先搜搜看看有没有现成的轮子，拒绝重新造轮子！一定会加速开发进程。但也需要注意一下开源资源是否可以免费商用，注意知识产权IP问题！～