一. SPI總線協議

SPI(Serial Peripheral Interface)接口，中文為串行外設接口。它只需要3根線或4根線即可完成通信工作（這里討論4根線的情況）。

這4根通信線分別為NCS/NSS(片選信號)、SCK/SCLK(串行同步時鐘)、MOSI/SDO(主機輸出從機輸入，Master Output Slave Input)、MISO/SDI(主機輸入從機輸出)。

SPI通信有四種方式，由CPOL(時鐘極性)、CPHA(時鐘相位)的4種組合決定的。CPOL決定總線空閑時，SCK是高電平還是低電平(CPOL=,0，無數據傳輸時，SCK=0；CPOL=1，無數據傳輸時，SCK=1)。CPHA決定在數據開始傳輸時，SCK第幾個跳變沿采集數據(CPHA=0，開始傳輸時，在第一個跳變沿采集數據，第二個跳變沿改變發送數據(即改變MISO或者MOSI線上電平)；CPHA=1，開始傳輸是，在第一個跳變沿改變發送的數據，在第二個跳變沿采集數據)（見圖1）。

圖1

確立可靠通信前，必須保證主從機處于同一種的傳輸方式，這里為方便起見，專門以CPOL=0，CPHA=0的傳輸方式進行討論。需要注意的是：在CPOL=0，CPHA=0的情況下，主從機都在SCK上跳沿對數據進行采集，SCK下跳沿改變總線電平（見圖2）。

圖2

這里在使用FPGA實現SPI模塊時，做一個規定：

1. 使用CPOL=0,、CPHA=0的傳輸方式；

2. 傳輸時，以最高位先輸出，最后輸出最低位；

3. FPGA實現的SPI模塊作從機，SCK由外部主機提供；

4. 通信數據長度為8位。

二. FPGA的SPI從機實現

實現SPI從機，可以分為兩個模塊：一個是SPI接收模塊，另一個則是SPI發送模塊。

1. 首先確定模塊的輸出輸入管腳

由標題一可以知道，SPI通信腳有4根線，我們還是用到時鐘總線和模塊復位腳，因此模塊管腳可以定義為

module myspi(nrst, clk, ncs, mosi, miso, sck);

input clk, nrst;
input ncs, mosi, sck;
output miso;

2. SCK跳變沿檢測

原理十分簡單：使用寄存器記錄SCK狀態，由狀態判斷SCK是否出現跳變沿。

reg[2:0] sck_edge;

always @ (posedge clk or negedge nrst)

begin

if(~nrst)

begin

sck_edge <= 3'b000;

end

else

begin

sck_edge <= {sck_edge[1:0], sck};

end

end

wire sck_riseedge, sck_falledge;

assign sck_riseedge = (sck_edge[2:1] == 2'b01); //檢測到SCK由0變成1，則認為發現上跳沿

assign sck_falledge = (sck_edge[2:1] == 2'b10); //檢測到SCK由1變成0，則認為發現下跳沿

3. SPI接收部分

SPI接收部分使用有限狀態機：

狀態1：等待SCK上跳沿，并將MOSI的數據移入移位寄存器byte_received，接收位數寄存器bit_received_cnt記錄接收到的數據位數，接收到8位數據后轉入狀態2；

狀態2：保存移位寄存器byte_received數據到接收緩存器rec_data，接收標志位/接收緩存器非空標志位rec_flag置高4個clk時鐘周期后轉入狀態3；

狀態3：清除rec_flag并轉入狀態1。

reg[7:0] byte_received;
reg[3:0] bit_received_cnt;
reg rec_flag;
reg[1:0] rec_status;  //SPI接收部分狀態機
reg[7:0] rec_data;
reg[2:0] rec_flag_width;  //SPI接收完成標志位脈沖寬度寄存器
always @ (posedge clk or negedge nrst)  //每次sck都會接收數據，spi的頂端模塊狀態機決定是否取用
begin
if(~nrst)
begin
byte_received <= 8'h00;
bit_received_cnt <= 4'h0;
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
rec_flag_width <= 3'b000;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (rec_status)
2'b00: begin
if(sck_riseedge)
begin
byte_received <= {byte_received[6:0], mosi};
if(bit_received_cnt == 4'h7)
begin
bit_received_cnt <= 4'b0000;
rec_status <= 2'b01;
end
else
begin
bit_received_cnt <= bit_received_cnt+1;
end
end
end
2'b01: begin
rec_data <= byte_received;
rec_flag <= 1'b1;
if(rec_flag_width==3'b100) begin
rec_flag_width <= 3'b000;
rec_status <= 2'b11;
end
else begin
rec_flag_width <= rec_flag_width+1;
end
end
2'b11: begin
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
end
endcase
end
end
end

? ???這里，使用rec_flag的原因是通知另一個模塊處理接收數據(后面將會提到)，rec_data若在下一次數據傳輸完成前不做處理則會丟失。

4. SPI發送部分

SPI從機一般在解析主機發送的命令后，主動發出主機所需數據，所以，SPI發送部分，需要其他模塊的觸發，并將數據送往MISO管腳。

SPI發送部分也離不開狀態機：

狀態1：等待發送觸發標志位send_flag置高，一旦標志位send_flag置高，發送移位寄存器byte_sended存儲外部觸發模塊的數據send_data，miso管腳輸出發送數據最高位send_data[7]，置位正在發送標志位sending_flag，轉入狀態2；

狀態2：等待SCK上跳沿，即等待主機接收數據最高位后進入狀態3；(其實這個狀態可有可無的狀態)

狀態3：在SCK下跳沿，將發送移位寄存器byte_sended最高位移入miso管腳，當發送移位寄存器被移空，清除正在發送標志位sending_flag，進入狀態4；

狀態4：置低miso管腳，轉入狀態1。

reg miso;
reg sending_flag;  //正在發送標志位
reg[7:0] byte_sended;  //發送移位寄存器
reg[3:0] bit_sended_cnt;  //SPI發送位計數器
reg[1:0] send_status;  //SPI發送部分狀態機
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
byte_sended <= 8'h00;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
send_status <= 2'b00;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (send_status)
2'b00: begin
if(send_flag)
begin  //鎖存發送數據
send_status <= 2'b01;  //2'b01;
byte_sended <= send_data;
sending_flag <= 1'b1;
miso <= send_data[7];
end
end
2'b01: begin  //發送數據移入移位寄存器
if(sck_riseedge) begin
//miso <= byte_sended[7];
//byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
send_status <= 2'b11;
end
end
2'b11: begin  //根據sck下降沿改變數據
miso <= byte_sended[7];
if(sck_falledge)   ///---------------------------------------這里多移了一位
begin
//miso <= byte_sended[7];
byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
if(bit_sended_cnt == 4'b0111)
begin
send_status <= 2'b10;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
bit_sended_cnt <= bit_sended_cnt+1;
end
end
end
2'b10: begin  //數據發送完畢
send_status <= 2'b00;
//sending_flag <= 1'b0;
miso <= 1'b0;
end
endcase
end
end
end

經過實測，SCK頻率低于clk頻率8倍以上，通信可靠穩定，測試芯片為XC3S50-TQ144，平臺為ISE，clk為25MHz。

???編輯：黃飛

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