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。
  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。

/ V/ M3 D) Q0 z* e  w: n

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。

! L( R# U5 f- K9 g* g

1. /***********************************************************************
   
2. 　　   ****************** name：SPI_Slaver_Driver **************
   
3. 　　          ********** author：made by zzuxzt **********
   
4. 　　   ****************** time：2014.4.29 **********************
   ; H7 j- A6 f1 F2 R; w
5. ***********************************************************************/
   
6. //use SPI 3 mode,CHOL = 1,CHAL = 1
   1 K* k( h; |( w9 q$ _
7. module spi(input clk,
   
8.               input rst_n,
   ! \+ @# O2 t; S7 N7 b* y+ F
9.               input CS_N,
   
10.               input SCK,
    
11.               input MOSI,
    ( F; W) ?* Y6 w# x& Z
12.               input [7:0] txd_data,
    7 o8 c  `& d  \1 b7 f& v
13.               output reg MISO,
    
14.               output reg [7:0] rxd_data,
    
15.               output rxd_flag); 　　//recieve done,please transmit data
    
16. 
    
17. //-------------------------capture the sck-----------------------------
    
18. reg sck_r0,sck_r1;
    ; ^) `7 k1 k, v' E+ m+ [- [* V
19. wire sck_n,sck_p;
    
20. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    0 f7 t' d& y. ?) I1 I
21. begin
    ' [! k0 t0 ]5 ]" r, b/ q" s0 S
22.     if(!rst_n)
    7 E' Z7 c# j* g2 [. T8 A. P; q
23.         begin
    
24.             sck_r0 <= 1'b1;   //sck of the idle state is high
    / D+ Y: L" W% w  _9 W
25.             sck_r1 <= 1'b1;
    * |3 k8 i. \' e7 l: J
26.         end
    
27.     else
    , i9 J% K/ c9 I$ D) A, _8 g4 A$ ?
28.         begin
    
29.             sck_r0 <= SCK;
    
30.             sck_r1 <= sck_r0;
    8 a# }7 ]2 s% y! _  {3 z% x
31.         end
    # q+ n  ~0 i1 b  w: q( _
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
    " T9 I. w5 Q3 m8 M  P
36. 
    
37. //-----------------------spi_slaver read data-------------------------------
    - X% L/ H2 B. i
38. reg rxd_flag_r;
    
39. reg [2:0] rxd_state;
    
40. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    
41. begin
    8 \$ J. `- ~) k# ~4 R+ V% K6 m
42.     if(!rst_n)
    9 \, ?, t- K; Z( }% P* N6 |
43.         begin
    0 i& X( Q' Y3 A/ S  T
44.             rxd_data <= 1'b0;
    
45.             rxd_flag_r <= 1'b0;
    
46.             rxd_state <= 1'b0;
    
47.         end
    7 |# K" R$ j- a+ u0 C. G' h4 V5 T7 q
48.     else if(sck_p && !CS_N)
    : ~1 G. S: h5 {! R7 f' l
49.         begin
    
50.             case(rxd_state)
    
51.                 3'd0:begin
    
52.                         rxd_data[7] <= MOSI;
      i! x* ^4 k' U( w% }9 G& e. u
53.                         rxd_flag_r <= 1'b0;   //reset rxd_flag
    1 m- x  D, p& Y2 B
54.                         rxd_state <= 3'd1;
    5 X2 r# k3 E. y
55.                       end
    0 D6 D* C, i6 {- G1 h3 h% }9 J
56.                 3'd1:begin
    
57.                         rxd_data[6] <= MOSI;
    
58.                         rxd_state <= 3'd2;
    
59.                       end
    
60.                 3'd2:begin
    $ u- T. H" ]$ U2 G9 l' s  s
61.                         rxd_data[5] <= MOSI;
    
62.                         rxd_state <= 3'd3;
    
63.                       end
    
64.                 3'd3:begin
    
65.                         rxd_data[4] <= MOSI;
    + u: j: Y2 s  ^% i; |
66.                         rxd_state <= 3'd4;
    # t9 y+ H3 X& q# c9 a* P
67.                       end
    
68.                 3'd4:begin
    
69.                         rxd_data[3] <= MOSI;
    ! X- X$ ^: B% c2 l. {6 S  S
70.                         rxd_state <= 3'd5;
    
71.                       end
    
72.                 3'd5:begin
    
73.                         rxd_data[2] <= MOSI;
    
74.                         rxd_state <= 3'd6;
    " f$ n8 z$ o" I5 O0 l. s! f
75.                       end
    6 R/ t1 d& w% ]" K7 Z" o, C. W
76.                 3'd6:begin
    8 s. F% q8 H: y3 ]8 _- Q
77.                         rxd_data[1] <= MOSI;
    , k; ]& L& H9 C7 z: `. z3 E2 {. X$ ?
78.                         rxd_state <= 3'd7;
    : q$ X" K. z8 F) T, X) u" _/ x
79.                       end
    
80.                 3'd7:begin
    
81.                         rxd_data[0] <= MOSI;
    + D, l$ C$ C1 l1 T2 q" W, U
82.                         rxd_flag_r <= 1'b1;  //set rxd_flag
      ^) c7 ]+ N" X! q- s
83.                         rxd_state <= 3'd0;
    
84.                       end
    " w. |& ?* F: n7 {, m' j; _6 v
85.                 default: ;
    ( \9 ]# }- X0 L1 I3 D
86.             endcase
    8 Z( A2 Y9 o$ s7 K  c
87.         end
    
88. end
    8 }# Z$ ~2 k6 e
89. 
    
90. 
    
91. //--------------------capture spi_flag posedge--------------------------------
    4 F3 l: Z3 u% ?  Q0 S
92. reg rxd_flag_r0,rxd_flag_r1;
    8 _  d5 K% @6 J7 I; p! V, t
93. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    - r2 Y  u; W! k7 u) Z9 Y2 D
94. begin
    : U4 t7 p! b8 U0 H2 x* V& ]& I
95.     if(!rst_n)
    , }* `8 M( A- }5 h: x
96.         begin
    
97.             rxd_flag_r0 <= 1'b0;
    
98.             rxd_flag_r1 <= 1'b0;
    
99.         end
    
100.     else
     
101.         begin
     , z# B- }9 a- ?8 W, s
102.             rxd_flag_r0 <= rxd_flag_r;
     
103.             rxd_flag_r1 <= rxd_flag_r0;
     3 j4 ?! O! w% V8 j" U: p. W
104.         end
     
105. end
     2 }  X7 j8 B5 x  i+ n) |2 `
106. 
     
107. assign rxd_flag = (~rxd_flag_r1 & rxd_flag_r0)? 1'b1:1'b0;
     2 f6 M4 d* |5 F$ O
108. 
     
109. //---------------------spi_slaver send data---------------------------
     ( ?* F& C1 j( N
110. reg [2:0] txd_state;
     
111. always@(posedge clk or negedge rst_n)
     
112. begin
     * W. d% z  S% d! P- e
113.     if(!rst_n)
       e4 ?9 j0 V( x/ h
114.         begin
     
115.             txd_state <= 1'b0;
     
116.         end
     
117.     else if(sck_n && !CS_N)
     . }- ]: b$ g: }7 Q* Q- Q
118.         begin
     
119.             case(txd_state)
     * F# w8 l; p0 T  c( W# K. A( {
120.                 3'd0:begin
     
121.                         MISO <= txd_data[7];
     ; a3 K  |( X' U0 A0 m1 v7 G- h9 X
122.                         txd_state <= 3'd1;
     - N' j( i* ]) l6 y
123.                       end
     . r& |8 m. u: J  L
124.                 3'd1:begin
     
125.                         MISO <= txd_data[6];
     
126.                         txd_state <= 3'd2;
     
127.                       end
     ! Y% I2 f/ X' G
128.                 3'd2:begin
       q2 l9 y' V; W
129.                         MISO <= txd_data[5];
     
130.                         txd_state <= 3'd3;
     
131.                       end
     
132.                 3'd3:begin
     
133.                         MISO <= txd_data[4];
       S# n1 _$ Q  f* Q% Q( {7 _9 w- Q
134.                         txd_state <= 3'd4;
     ( I3 u3 [1 k7 U8 d) K
135.                       end
     
136.                 3'd4:begin
     6 [% L/ l, |! G+ E
137.                         MISO <= txd_data[3];
     
138.                         txd_state <= 3'd5;
     4 @, `8 N4 \, d  e/ w7 Z
139.                       end
     3 ~1 Q" k% E  q9 ~9 O! o" p
140.                 3'd5:begin
     
141.                         MISO <= txd_data[2];
     3 _9 Y0 w+ m# m+ s, p# b
142.                         txd_state <= 3'd6;
     3 ~2 z9 v8 L- X: A; G% J
143.                       end
     
144.                 3'd6:begin
     ) k+ R2 t3 b) B# Z! b/ A, D% K; C- N
145.                         MISO <= txd_data[1];
     ! g/ K3 K2 g- s9 y1 O9 O
146.                         txd_state <= 3'd7;
     
147.                       end
       {4 }* X- O/ d
148.                 3'd7:begin
     
149.                         MISO <= txd_data[0];
     % G1 n; m  p9 \+ n" W, e
150.                         txd_state <= 3'd0;
     - X( Z' z7 C4 N2 [% [
151.                       end
     , [# f5 ~( j  ]3 @; A
152.                 default: ;
     + i. o; ~. J, a# g
153.             endcase
     
154.         end
     
155. end
     ) O: b* d. E9 S7 l6 E) G$ u
156. 
     8 i) F0 H, I# A& O
157. endmodule

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