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。

5 P* w2 `0 ?& J4 j

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 **************
   & w& K3 @6 q% g1 q7 R
3. 　　          ********** author：made by zzuxzt **********
   2 ~  s+ {4 P) x$ t  @
4. 　　   ****************** time：2014.4.29 **********************
   2 p( C/ z! C) Y; Y! s: J3 h2 o
5. ***********************************************************************/
   
6. //use SPI 3 mode,CHOL = 1,CHAL = 1
   ' n2 H$ Z% P( v5 Y1 l
7. module spi(input clk,
   5 i3 t  r) N. h) Y; \
8.               input rst_n,
   
9.               input CS_N,
   ) j6 q& V+ o) J) ^/ z0 M6 D' Q: n5 H
10.               input SCK,
    
11.               input MOSI,
    
12.               input [7:0] txd_data,
    
13.               output reg MISO,
    # A/ U1 z' L3 T1 b6 q
14.               output reg [7:0] rxd_data,
    
15.               output rxd_flag); 　　//recieve done,please transmit data
    2 y5 \) G" M9 \8 {' l
16. 
    
17. //-------------------------capture the sck-----------------------------
    
18. reg sck_r0,sck_r1;
    : {7 w; B' ]- h, L) B9 V& B
19. wire sck_n,sck_p;
    8 \2 M) _, l' J% j, \, }2 q
20. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    
21. begin
    , _: e1 C5 `+ u/ f, t0 h" \" f
22.     if(!rst_n)
    
23.         begin
    ; N- E( H0 ]  ^, i- u
24.             sck_r0 <= 1'b1;   //sck of the idle state is high
    % ~' b2 K5 j/ x6 V" w
25.             sck_r1 <= 1'b1;
    
26.         end
    
27.     else
    
28.         begin
    / ~5 D2 I( H% [
29.             sck_r0 <= SCK;
    
30.             sck_r1 <= sck_r0;
    % U1 E* r4 o- b/ ~
31.         end
    
32. end
    , w' y! k" _; Q5 j
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-------------------------------
    ! b% U" F* c3 N# F: ~' w5 \  i
38. reg rxd_flag_r;
    1 J3 `1 P' \2 ?# G4 G0 ?, G7 X
39. reg [2:0] rxd_state;
    ; t7 m7 W% w) [) J8 P4 D- ~% w
40. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    
41. begin
    ) o  B& G/ I& M$ f% a, }' r6 S
42.     if(!rst_n)
    
43.         begin
    ) c: J0 _2 J% T" F( ]
44.             rxd_data <= 1'b0;
    
45.             rxd_flag_r <= 1'b0;
    
46.             rxd_state <= 1'b0;
    : S# F) \. j( J
47.         end
    . `+ ~0 M0 @$ G4 r! W2 _
48.     else if(sck_p && !CS_N)
    
49.         begin
    0 Q2 j- z/ U6 ^% S% S/ F* k4 F4 Y
50.             case(rxd_state)
    
51.                 3'd0:begin
    
52.                         rxd_data[7] <= MOSI;
    
53.                         rxd_flag_r <= 1'b0;   //reset rxd_flag
    
54.                         rxd_state <= 3'd1;
    * Z; `- L3 J$ J, P
55.                       end
    3 W) D( p! v# Y
56.                 3'd1:begin
    
57.                         rxd_data[6] <= MOSI;
    
58.                         rxd_state <= 3'd2;
    , A) C1 q5 C4 }7 z  n/ y
59.                       end
    
60.                 3'd2:begin
      L; S6 `* {' J2 T
61.                         rxd_data[5] <= MOSI;
    4 H0 g" Y' _  h8 v* P( {3 A
62.                         rxd_state <= 3'd3;
    
63.                       end
    
64.                 3'd3:begin
    
65.                         rxd_data[4] <= MOSI;
    
66.                         rxd_state <= 3'd4;
    . v( S7 z2 L9 Q9 @! h% |$ f
67.                       end
    
68.                 3'd4:begin
    
69.                         rxd_data[3] <= MOSI;
    
70.                         rxd_state <= 3'd5;
    
71.                       end
    
72.                 3'd5:begin
    + D0 N8 y/ y5 E) p% b
73.                         rxd_data[2] <= MOSI;
    1 \8 m6 ]( U3 t  z- a
74.                         rxd_state <= 3'd6;
    
75.                       end
    ' j0 w- N) F. Q1 o% r' g/ i( J
76.                 3'd6:begin
    
77.                         rxd_data[1] <= MOSI;
    ( j, o0 _. e9 u6 W7 G8 I0 Q
78.                         rxd_state <= 3'd7;
    % g- o# a: t9 z; \5 y% v
79.                       end
    9 g- i3 C  S, O! Z9 Y
80.                 3'd7:begin
    ' A5 F8 y% A, h, F# `- B  O
81.                         rxd_data[0] <= MOSI;
    5 g; T- ~7 \  E. r- @
82.                         rxd_flag_r <= 1'b1;  //set rxd_flag
    
83.                         rxd_state <= 3'd0;
    
84.                       end
    
85.                 default: ;
    5 b! l' o: U- ]
86.             endcase
    
87.         end
    
88. end
    
89. 
    ( {0 p+ o: T+ f* M
90. 
    
91. //--------------------capture spi_flag posedge--------------------------------
    
92. reg rxd_flag_r0,rxd_flag_r1;
    
93. always@(posedge clk or negedge rst_n)
    5 Z3 E5 D, m9 r1 W4 K" d$ ~. ]
94. begin
    
95.     if(!rst_n)
    # `2 \; h/ C0 X, F5 C% k
96.         begin
    3 p# h, O  W  u5 l* I8 n& X$ _( F, B- Z
97.             rxd_flag_r0 <= 1'b0;
    / T+ g- A! j) K. s* D: U
98.             rxd_flag_r1 <= 1'b0;
    % L5 q) X1 M3 |1 @) ?# H6 Z
99.         end
      o1 ?- T- q' b  Q+ T
100.     else
     / e) V' H; s* g' u# i( M
101.         begin
     ; J. Q. G) k1 D/ b* P: d
102.             rxd_flag_r0 <= rxd_flag_r;
     
103.             rxd_flag_r1 <= rxd_flag_r0;
     2 D; N/ Q8 ?8 P+ W
104.         end
     
105. end
     # F0 ]# x8 I' p
106. 
     1 J/ T8 w0 M$ ^# g1 W' J( Z
107. assign rxd_flag = (~rxd_flag_r1 & rxd_flag_r0)? 1'b1:1'b0;
     1 I7 k8 n! z" g
108. 
     
109. //---------------------spi_slaver send data---------------------------
     
110. reg [2:0] txd_state;
     . N1 {" }7 R  a
111. always@(posedge clk or negedge rst_n)
     
112. begin
     6 `. r% |6 D) C. P' P
113.     if(!rst_n)
     
114.         begin
     0 K9 @% h! B6 G  J- V; Q( d; O
115.             txd_state <= 1'b0;
     ! w/ A& w/ g/ {  m  W1 @
116.         end
     
117.     else if(sck_n && !CS_N)
     5 w- D. V- v3 M) D& l5 x8 P
118.         begin
     
119.             case(txd_state)
     
120.                 3'd0:begin
     
121.                         MISO <= txd_data[7];
     7 ~: P2 q1 Z) N$ f
122.                         txd_state <= 3'd1;
     
123.                       end
     
124.                 3'd1:begin
     
125.                         MISO <= txd_data[6];
     ' M: B. d8 }6 x
126.                         txd_state <= 3'd2;
     ! x1 A. K4 u3 R( c3 j
127.                       end
     
128.                 3'd2:begin
     
129.                         MISO <= txd_data[5];
     ) T) Z& B/ b7 K9 C9 {
130.                         txd_state <= 3'd3;
     ' U1 C& c, w' [$ p5 v2 q+ s0 r9 @4 q( T
131.                       end
     
132.                 3'd3:begin
     
133.                         MISO <= txd_data[4];
     
134.                         txd_state <= 3'd4;
     ! }, r% O/ ~7 C; ^6 t/ w- W1 e$ y
135.                       end
     
136.                 3'd4:begin
     # g  s0 `; A+ P& I: z" ^; ~2 P
137.                         MISO <= txd_data[3];
     5 {. e& H1 z. m! L+ P; c2 d2 @& }
138.                         txd_state <= 3'd5;
     
139.                       end
     
140.                 3'd5:begin
     ; ^1 f2 x7 u/ b  G) a
141.                         MISO <= txd_data[2];
     , F; O0 ^; [( z
142.                         txd_state <= 3'd6;
     ! Z! h! p) z5 s: r3 _
143.                       end
     
144.                 3'd6:begin
     8 r5 Q. N( K2 @3 C+ s% `8 H$ O0 P
145.                         MISO <= txd_data[1];
     7 W$ U! C; t4 ~1 K0 {: x- ~( z
146.                         txd_state <= 3'd7;
     
147.                       end
     
148.                 3'd7:begin
     
149.                         MISO <= txd_data[0];
     4 t" P# {2 S5 e' H& I/ @; q
150.                         txd_state <= 3'd0;
     : V1 R2 V) i( i4 I4 M
151.                       end
     0 k8 m( U7 p+ i4 d: f: y) n# P
152.                 default: ;
     4 C$ P$ l5 Y' m3 Q6 U' w
153.             endcase
     9 F' ?; E9 X6 S, H7 \- ]7 [9 T, Z
154.         end
     
155. end
     
156. 
     : Z0 h/ X8 _2 s- M1 E  e
157. endmodule

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