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。
" ~/ F9 L+ G7 A' L  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。

1. /***********************************************************************
   
2. 　　   ****************** name：SPI_Slaver_Driver **************
   
3. 　　          ********** author：made by zzuxzt **********
   
4. 　　   ****************** time：2014.4.29 **********************
   7 v. l. A0 O. N9 D- `3 V  @
5. ***********************************************************************/
   
6. //use SPI 3 mode,CHOL = 1,CHAL = 1
   3 T6 z* S' W; e+ a0 a( u; k& T7 Q' I
7. module spi(input clk,
   / J5 `* y4 w; T8 x
8.               input rst_n,
   ; l6 ^0 ]2 z1 E6 w5 ~( P! H
9.               input CS_N,
   6 C3 {1 V$ `7 E8 ]( n, H
10.               input SCK,
    " i* H+ F: f1 z& t% V8 P; x* H( B  x
11.               input MOSI,
    
12.               input [7:0] txd_data,
    0 O4 x; q' {3 k$ m
13.               output reg MISO,
    7 o- P# w( b' X- n+ g2 ~6 ~$ Z
14.               output reg [7:0] rxd_data,
    
15.               output rxd_flag); 　　//recieve done,please transmit data
    
16. 
    
17. //-------------------------capture the sck-----------------------------
    6 \8 x# d% o+ F/ ^
18. reg sck_r0,sck_r1;
    
19. wire sck_n,sck_p;
    6 z- V* M" ]- m6 q0 ?$ e) k
20. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    
21. begin
      C  u1 ?8 k: X1 C% S% Z5 E. C% ^
22.     if(!rst_n)
    
23.         begin
    3 T5 F* U3 c4 w  H- z' ~. g
24.             sck_r0 <= 1'b1;   //sck of the idle state is high
    4 A" f' S3 p/ c$ P
25.             sck_r1 <= 1'b1;
    4 H  f+ }5 M* v% r+ b
26.         end
    
27.     else
    
28.         begin
    : \5 V9 L7 m# q8 p1 V/ ~( g
29.             sck_r0 <= SCK;
      |3 f* O* L! ?, V1 j
30.             sck_r1 <= sck_r0;
    ( ?8 g7 W! U. y& x
31.         end
    + u9 w& z/ H# c' Q" V
32. end
    ) \, u! D' V" N$ e- M+ \" u
33. 
    % n5 _0 S- N7 y% o1 t6 U
34. assign sck_n = (~sck_r0 & sck_r1)? 1'b1:1'b0;   //capture the sck negedge
    / _/ A6 |+ |2 d9 b# G3 O
35. assign sck_p = (~sck_r1 & sck_r0)? 1'b1:1'b0;   //capture the sck posedge
    / C1 j0 ~+ r2 C: ?" d& [* P6 l( C
36. 
    3 w4 p% ]- a8 L! e: a$ Y
37. //-----------------------spi_slaver read data-------------------------------
    ( z) f2 A0 y5 H% \* H
38. reg rxd_flag_r;
    
39. reg [2:0] rxd_state;
    
40. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    0 N: ?0 r; R9 T0 C
41. begin
    
42.     if(!rst_n)
    
43.         begin
    
44.             rxd_data <= 1'b0;
    8 v$ V- \' A5 n; `: b
45.             rxd_flag_r <= 1'b0;
    
46.             rxd_state <= 1'b0;
    1 A% r$ y  U2 \; V% t
47.         end
    8 r5 ]8 a  W# L' B/ Z( K1 f
48.     else if(sck_p && !CS_N)
    
49.         begin
    
50.             case(rxd_state)
    1 g1 B1 n5 M1 l) }7 b3 E
51.                 3'd0:begin
    
52.                         rxd_data[7] <= MOSI;
    7 u1 |) c, q( Y
53.                         rxd_flag_r <= 1'b0;   //reset rxd_flag
    
54.                         rxd_state <= 3'd1;
    
55.                       end
    3 g* m9 `$ s# F3 f& ~$ @$ o
56.                 3'd1:begin
    
57.                         rxd_data[6] <= MOSI;
    
58.                         rxd_state <= 3'd2;
    
59.                       end
    ; M9 P8 P0 v) |# f2 o* S) d
60.                 3'd2:begin
    ) A  v& O& {. R# a/ T( d+ ~
61.                         rxd_data[5] <= MOSI;
    + Q, v. x8 g) n6 s* Q( v1 Z
62.                         rxd_state <= 3'd3;
    # t4 u1 t% H5 h5 }. i
63.                       end
    + j4 Q( l9 e% a5 u8 D
64.                 3'd3:begin
    7 A: P& I6 a! i/ d( G+ v. a
65.                         rxd_data[4] <= MOSI;
    
66.                         rxd_state <= 3'd4;
    2 p& D! s# D6 {$ w: h! x
67.                       end
    + d& X- J/ U$ Z( ^
68.                 3'd4:begin
    
69.                         rxd_data[3] <= MOSI;
    ) D2 s- _+ A" j, ]
70.                         rxd_state <= 3'd5;
    7 {# @5 F$ ?. w" [2 L
71.                       end
    / o/ B) X5 P/ }; X
72.                 3'd5:begin
    9 c; i: W: K3 a% U3 ~$ [
73.                         rxd_data[2] <= MOSI;
    
74.                         rxd_state <= 3'd6;
    ; u. p5 ^$ Q+ _- \, ^% Z6 C7 m
75.                       end
    ( S4 u  k" }  h: B: E" W+ E
76.                 3'd6:begin
    
77.                         rxd_data[1] <= MOSI;
    
78.                         rxd_state <= 3'd7;
    1 d# o1 v! L, C$ h# m
79.                       end
    
80.                 3'd7:begin
    
81.                         rxd_data[0] <= MOSI;
    3 L9 N7 J0 |. v8 @
82.                         rxd_flag_r <= 1'b1;  //set rxd_flag
    0 G8 Z, K4 F2 A. n# I  q
83.                         rxd_state <= 3'd0;
    
84.                       end
    
85.                 default: ;
    
86.             endcase
    
87.         end
    
88. end
    
89. 
    - \, z4 o7 Q$ w
90. 
    
91. //--------------------capture spi_flag posedge--------------------------------
    - K3 G3 B- R( Q9 k8 F
92. reg rxd_flag_r0,rxd_flag_r1;
    : y5 c/ |& o9 ?9 F, l% s7 R" r
93. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    0 P0 H) e& h) h; }
94. begin
    
95.     if(!rst_n)
    
96.         begin
    
97.             rxd_flag_r0 <= 1'b0;
    
98.             rxd_flag_r1 <= 1'b0;
    
99.         end
    
100.     else
     
101.         begin
     
102.             rxd_flag_r0 <= rxd_flag_r;
     
103.             rxd_flag_r1 <= rxd_flag_r0;
     9 D% V' Q* m! q3 D: D, \
104.         end
     & R& _# n6 |3 P
105. end
     2 t. |2 k/ G) {2 _) K8 w
106. 
     & s% h! K( c, W/ i( I% L, ~
107. assign rxd_flag = (~rxd_flag_r1 & rxd_flag_r0)? 1'b1:1'b0;
     
108. 
     
109. //---------------------spi_slaver send data---------------------------
     3 l0 h- ?9 L) y" c$ N- r
110. reg [2:0] txd_state;
     0 Q1 f, ]" Y( m' j, U. O
111. always@(posedge clk or negedge rst_n)
     
112. begin
     4 g- H5 |4 X/ F* o
113.     if(!rst_n)
     
114.         begin
     : W, L* `$ [2 R+ D1 r
115.             txd_state <= 1'b0;
     
116.         end
       E* q4 Q* ^$ C% Y8 G
117.     else if(sck_n && !CS_N)
     
118.         begin
     
119.             case(txd_state)
     1 }* S  b3 ^5 W% P& k( o: ]
120.                 3'd0:begin
     : ?, ~% L; [1 m* K* m; n
121.                         MISO <= txd_data[7];
     - w+ ^/ E% [- d! {% i6 i
122.                         txd_state <= 3'd1;
     
123.                       end
     % {4 I8 \" W  H$ v- }/ }) F
124.                 3'd1:begin
     
125.                         MISO <= txd_data[6];
     
126.                         txd_state <= 3'd2;
     
127.                       end
     4 ]% O, k3 H6 f; t% I; A* e
128.                 3'd2:begin
     
129.                         MISO <= txd_data[5];
     
130.                         txd_state <= 3'd3;
     2 O) g0 H5 X5 |' D" E
131.                       end
     # ^9 o6 I* C0 H2 O# o* K: Z
132.                 3'd3:begin
     
133.                         MISO <= txd_data[4];
     
134.                         txd_state <= 3'd4;
     7 r! v6 s  R9 p3 C5 Y
135.                       end
     
136.                 3'd4:begin
     
137.                         MISO <= txd_data[3];
     
138.                         txd_state <= 3'd5;
     
139.                       end
     - \8 }( W( \  T" f* b: g- _( _
140.                 3'd5:begin
     % p$ S$ S6 a" d* J/ ^' b+ U" @
141.                         MISO <= txd_data[2];
     
142.                         txd_state <= 3'd6;
     3 M) s5 H' `. L0 b/ X/ v
143.                       end
     
144.                 3'd6:begin
     
145.                         MISO <= txd_data[1];
     9 w  c" `2 T) {, _2 t
146.                         txd_state <= 3'd7;
     1 g# O/ y3 Q# ?/ N
147.                       end
     
148.                 3'd7:begin
     
149.                         MISO <= txd_data[0];
     # u5 `( ?2 O" ?! _9 O! v
150.                         txd_state <= 3'd0;
     
151.                       end
     0 R# Y, }. c$ d
152.                 default: ;
     6 j1 t: T; y! h3 |1 U% K
153.             endcase
     
154.         end
     
155. end
     % y, j  ~6 X7 F: l( k8 ^
156. 
     
157. endmodule

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