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。
4 P( q- Z' k. Q- e+ A: |( r& D  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。

* h" y9 [3 O0 @! J6 D1 w2 k" @

1. /***********************************************************************
   : d% L4 H/ a* S( b
2. 　　   ****************** name：SPI_Slaver_Driver **************
   
3. 　　          ********** author：made by zzuxzt **********
   3 J# P4 H5 f1 U7 A- x
4. 　　   ****************** time：2014.4.29 **********************
   
5. ***********************************************************************/
   
6. //use SPI 3 mode,CHOL = 1,CHAL = 1
   ( @& J+ h* H3 `8 |7 ~) A
7. module spi(input clk,
   ; w1 F) @& c, O( g
8.               input rst_n,
   $ [, ^7 ~; g( U0 C/ _
9.               input CS_N,
   . [) h6 q+ N7 y: r5 h
10.               input SCK,
    
11.               input MOSI,
    + A( P9 Y$ t4 n
12.               input [7:0] txd_data,
    
13.               output reg MISO,
    
14.               output reg [7:0] rxd_data,
    
15.               output rxd_flag); 　　//recieve done,please transmit data
    
16. 
    6 n! \4 D8 `; j5 W
17. //-------------------------capture the sck-----------------------------
    3 ~* x- ?0 G4 S. u  J& }
18. reg sck_r0,sck_r1;
    
19. wire sck_n,sck_p;
    
20. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    
21. begin
    
22.     if(!rst_n)
    
23.         begin
    
24.             sck_r0 <= 1'b1;   //sck of the idle state is high
    
25.             sck_r1 <= 1'b1;
    
26.         end
    7 s* C5 T, R3 d' ]
27.     else
    9 x4 W5 I; y8 C( ^7 S* T8 S: K  i6 B
28.         begin
    & u2 a  l! N; \' U
29.             sck_r0 <= SCK;
    
30.             sck_r1 <= sck_r0;
    ) _  h. J& X/ C1 r
31.         end
    6 X, A) R3 Y! x* `/ U% M
32. end
    
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. 
    
37. //-----------------------spi_slaver read data-------------------------------
    * z8 T7 `6 }* G7 }5 Y( O; ^6 @
38. reg rxd_flag_r;
    * `2 P, _1 [' R* s" w4 ]
39. reg [2:0] rxd_state;
    
40. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    . h8 W6 g) W' i4 ~& X  X
41. begin
    $ r! B& i, N% F! _
42.     if(!rst_n)
    
43.         begin
    
44.             rxd_data <= 1'b0;
    4 q% U- k' Z$ D3 i
45.             rxd_flag_r <= 1'b0;
    
46.             rxd_state <= 1'b0;
    
47.         end
    
48.     else if(sck_p && !CS_N)
    6 d7 z2 r5 Y3 L% k% J' h7 Q# N
49.         begin
    8 U: M# R6 L; h( o; n( l% f0 s
50.             case(rxd_state)
    
51.                 3'd0:begin
    ( ]! i& \$ a$ y4 y2 L0 \
52.                         rxd_data[7] <= MOSI;
    
53.                         rxd_flag_r <= 1'b0;   //reset rxd_flag
    
54.                         rxd_state <= 3'd1;
    
55.                       end
    : m  G7 L: ~5 J2 r
56.                 3'd1:begin
    
57.                         rxd_data[6] <= MOSI;
    % C; a  x5 q( Z2 ]7 r; d
58.                         rxd_state <= 3'd2;
    / }, H5 h# }$ s
59.                       end
    2 O" x0 c+ s, J5 w  d
60.                 3'd2:begin
    
61.                         rxd_data[5] <= MOSI;
    # a4 q, G# \, S7 F4 u
62.                         rxd_state <= 3'd3;
    ; c9 B. ~5 V$ o7 u/ }
63.                       end
    
64.                 3'd3:begin
    
65.                         rxd_data[4] <= MOSI;
    * \% V2 A6 U6 c9 i
66.                         rxd_state <= 3'd4;
    
67.                       end
    
68.                 3'd4:begin
    
69.                         rxd_data[3] <= MOSI;
    . |& n$ y9 N9 O2 r$ Y
70.                         rxd_state <= 3'd5;
    
71.                       end
    
72.                 3'd5:begin
    
73.                         rxd_data[2] <= MOSI;
    ) Y8 J- v+ S5 J
74.                         rxd_state <= 3'd6;
    
75.                       end
    * s' n. y& `/ L  t
76.                 3'd6:begin
    
77.                         rxd_data[1] <= MOSI;
    
78.                         rxd_state <= 3'd7;
    
79.                       end
    
80.                 3'd7:begin
    
81.                         rxd_data[0] <= MOSI;
    * s/ S) Y; [) I5 d. [: i' v
82.                         rxd_flag_r <= 1'b1;  //set rxd_flag
    
83.                         rxd_state <= 3'd0;
    / f" z) f9 E, E/ V
84.                       end
    
85.                 default: ;
    . }& Y$ n/ ]3 j7 Y
86.             endcase
    * j+ k/ x7 a" H
87.         end
    / b2 y- \- j* V* N% Q  B* v% Y
88. end
    
89. 
    # R( `$ t! {& k7 L; h
90. 
    
91. //--------------------capture spi_flag posedge--------------------------------
    ' r- s/ m0 Q! E: e( W/ a
92. reg rxd_flag_r0,rxd_flag_r1;
    
93. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    . c% i7 e5 I9 T
94. begin
    9 }: G: a. j( i6 i
95.     if(!rst_n)
    
96.         begin
    & H' Q+ J- {2 n9 Q$ X5 h
97.             rxd_flag_r0 <= 1'b0;
    
98.             rxd_flag_r1 <= 1'b0;
    
99.         end
    
100.     else
     * u5 U; r: Y; z  G. n% V
101.         begin
     
102.             rxd_flag_r0 <= rxd_flag_r;
     * D; X; }6 L; z( e: k
103.             rxd_flag_r1 <= rxd_flag_r0;
     + S# l2 G5 z3 D  [" |2 R1 X
104.         end
     
105. end
     
106. 
     
107. assign rxd_flag = (~rxd_flag_r1 & rxd_flag_r0)? 1'b1:1'b0;
     
108. 
     
109. //---------------------spi_slaver send data---------------------------
     
110. reg [2:0] txd_state;
     5 W: e. F5 C' ]- H& c% R* W! d
111. always@(posedge clk or negedge rst_n)
     
112. begin
     6 q; G3 g6 W* B/ `$ q3 c
113.     if(!rst_n)
     & `0 G" F. |" X/ C& m6 S
114.         begin
     
115.             txd_state <= 1'b0;
     + E8 g: I1 V7 `' W& X
116.         end
     ! |0 L8 U, ?9 `9 y, q; P' c
117.     else if(sck_n && !CS_N)
     
118.         begin
       X! \8 d( \" V$ J
119.             case(txd_state)
     7 K3 c; V8 W8 _7 }1 r; K
120.                 3'd0:begin
     / A( D. s7 U6 s4 R
121.                         MISO <= txd_data[7];
     6 `3 x  T+ l+ f( g) w8 ?6 B  j' f
122.                         txd_state <= 3'd1;
     3 z7 v7 m- Y, I
123.                       end
     
124.                 3'd1:begin
     ! K$ C* {1 R, d0 y9 f6 U
125.                         MISO <= txd_data[6];
     3 B2 Q, C. X; d  f2 p9 D
126.                         txd_state <= 3'd2;
     
127.                       end
     
128.                 3'd2:begin
     
129.                         MISO <= txd_data[5];
     
130.                         txd_state <= 3'd3;
     5 S+ E8 K' l: b% f" s5 I+ U8 u$ Y8 L; Q
131.                       end
     
132.                 3'd3:begin
     
133.                         MISO <= txd_data[4];
     9 z; J9 E6 A3 c- z7 W! {! Y8 G
134.                         txd_state <= 3'd4;
     1 w# \/ Z3 ^2 w* h8 D- z9 I
135.                       end
     2 k6 o1 j1 B- U0 I$ v0 l0 t  f
136.                 3'd4:begin
     4 _( ]. l; Q9 D" K( A, @. _
137.                         MISO <= txd_data[3];
     1 F: b/ f3 l- Q
138.                         txd_state <= 3'd5;
     5 h9 w9 E' U' G% g9 D1 h
139.                       end
     
140.                 3'd5:begin
     
141.                         MISO <= txd_data[2];
     
142.                         txd_state <= 3'd6;
     8 g3 ^1 i! Q0 I
143.                       end
     ( T2 i) K/ T2 q2 M* _; _
144.                 3'd6:begin
     ! Z1 W6 \/ Z( m# t) \1 \3 r' {
145.                         MISO <= txd_data[1];
     
146.                         txd_state <= 3'd7;
     
147.                       end
     
148.                 3'd7:begin
     " i# q# O6 e; U+ @( q. ~) c
149.                         MISO <= txd_data[0];
     . P1 C: Q! e+ y/ V9 b; b
150.                         txd_state <= 3'd0;
     & D# Q+ b3 E! }# A0 j
151.                       end
     
152.                 default: ;
     6 q$ t; H7 E; y5 F2 ]2 T
153.             endcase
     
154.         end
     - K! B" O- e4 K& {! G- |  P' ~; C% F
155. end
     
156. 
     
157. endmodule

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