引言

　　SPI（串行外圍接口）總線，是一個同步串行接口的數據總線，它具有全雙工、信號線少、協議簡單、傳輸速度快等優點。由于串行總線的信號線比并行總線更少、更簡單，越來越多的系統放棄使用并行總線而采用串行總線。在眾多串行總線中，SPI 總線與I2C 總線、CAN 總線、USB 等其他常用總線相比有很大優勢，如SPI 總線的數據傳輸速度可達若干Mbps， 比I2C 總線快很多。SPI 總線最典型的應用就是主機與外圍設備（如EEPROM、Flash RAM、A/D 轉換器、LED 顯示器、實時時鐘等）之間的通信。

　　FPGA（現場可編程門陣列）是在PAL、GAL、PLD 等可編程器件的基礎上進一步發展的產物，具有設計周期短、可重復編程、靈活性強等特點。用FPGA 設計的SPI 總線具有可擴展性強、便于修改等優點。只要對設計做簡單的改動，即可對SPI 總線的數據位數、工作模式等進行擴展，充分發揮了FPGA 的優勢。

　　1 SPI 總線的結構和工作原理

　　SPI 總線區分主機（Master）和從機（Slave）兩部分，它的結構框圖如圖1 所示。

　　圖1 SPI 總線結構框圖

　　主機和從機之間通過4 根信號線連接，分別是SCK、MOSI、MISO、CS，它們的定義如下。

　　SCK：同步時鐘信號，用來同步主機和從機的數據傳輸，由主機控制輸出，從機在SCK 的邊沿接收和發送數據；MOSI：主機輸出、從機輸入信號，主機在上升沿（或下降沿）通過該信號線發送數據給從機，從機在下降沿（或上升沿）通過該信號線接收該數據；MISO：主機輸入、從機輸出信號，從機在上升沿（或下降沿）通過該信號線發送數據給主機，主機在下降沿（或上升沿）通過該信號線接收該數據；CS：從機片選信號，由主機控制輸出。

　　其工作原理是： 當沒有數據需要在主機和從機之間傳輸時，主機控制SCK 輸出空閑電平，CS 輸出無效電平，SPI 總線處于空閑狀態；當有數據需要傳輸時，主機控制CS 輸出有效電平，SCK輸出時鐘信號，SPI 總線處于工作狀態；在某個時鐘邊沿，主機和從機同時發送數據，將數據分別傳輸到MOSI 和MISO 上；在下一個時鐘邊沿，主機和從機同時接收數據，分別將MISO 和MOSI上的數據接收并存儲；當數據全部傳輸完畢時，主機控制SCK 輸出空閑電平，CS 輸出無效電平，SPI 總線重新回到空閑狀態。至此，一個完整的SPI 總線數據傳輸過程完成。

　　SPI 總線有兩個控制位：CPOL 和CPHA.將SCK 的空閑電平用IDLE 表示，非空閑電平用ACTIVE 表示。CPOL 用來選擇IDLE 的電平值。當CPOL=0 時，IDLE=0;當CPOL=1 時，IDLE=1.

　　CPHA 用來選擇接收數據的時刻。當CPHA=0 時， 接收時刻是IDLE-ACTIVE 邊沿；當CPHA=1 時，接收時刻是ACTIVE-IDLE邊沿。根據CPOL 和CPHA 的取值情況，SPI 總線共有4 種不同的工作模式。圖2 給出了SPI 總線在不同工作模式下的工作時序。

　　圖2 SPI 總線的工作時序

　　當CPHA=0 時，MOSI 和MISO 的時序有所不同，主要是第一個數據位MSB 的發送時刻不同。MOSI 的MSB 在SCK 的第一個IDLE-ACTIVE 邊沿的前半個周期由主機發送到MOSI 上；而MISO 的MSB 則在CS 信號的下降沿由從機發送到MISO 上。當CPHA=1 時，MOSI 和MISO 的時序完全相同。

　　2 SPI 主機模塊的設計

　　本文設計的SPI 主機模塊主要完成以下工作：

　　（1） 將主機收到的8 位并行數據轉換為串行數據，并發送給從機；（2） 接收來自從機的串行數據，將其轉換為并行數據，通過并行端口輸出；（3） 輸出從機所需要的輸入信號、時鐘信號SCK 和片選信號CS。

　　在數據串并轉換的過程中， 必須用到寄存器來存放臨時數據。一般情況下，發送數據需要1 個發送寄存器，接收數據需要1個接收寄存器，則至少需要2 個寄存器。在SPI 總線中，每發送1個數據位則發送寄存器多出1 個空閑位， 正好可以在半個周期后用來接收1 個數據位。為了減少資源消耗，可以用1 個移位寄存器來代替2 個獨立的接收寄存器和發送寄存器。圖3 所示為SPI 總線的硬件結構框圖，其中MaSTer 和Slave 各使用1 個移位寄存器接收和發送數據。

　　圖3 SPI 總線的硬件結構