利用现成IP不写任何代码如何实现三线制SPI

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gaosmile 发布时间：2021-2-18 23:07

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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。今天就给大家分享一下，利用现成IP不写任何代码如何实现三线制SPI。
- H! Y, G4 w$ d" d9 o% S2 P

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* E; E! g$ d' f: Q+ s2 d. }3 \

从芯片框图，大致可以看出，该芯片主要由以下部分组成：

å¾®ä¿¡å¾ç_20210218230106.png

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。
( H$ m9 ~- [2 }# l+ l4 V

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
7 }" r: x0 ?3 B: A

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！
.......- ^9 O% O5 V7 r4 M

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
' T" z8 U3 }: D2 I& I1 R" J

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。
% u6 m0 \: N6 h* j3 ~

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。- I0 b+ @: j e' l

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：