本系列文章主要針對FPGA初學者編寫，包括FPGA的模塊書寫、基礎語法、狀態機、RAM、UART、SPI、VGA、以及功能驗證等。將每一個知識點作為一個章節進行講解，旨在更快速的提升初學者在FPGA開發方面的能力，每一個章節中都有針對性的代碼書寫以及代碼的講解，可作為讀者參考。

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第十六章：SPI

SPI簡介

電子系統設計中，往往被IIC/SPI/UART等總線搞的暈頭轉向，本文詳細介紹SPI總線的接口協議和應用。

SPI總線是一種同步串行外設接口，它可以使MCU/FPGA/DSP等控制器與各種外圍設備以串行方式進行通信。其具有通信速度快，同步設計以及控制協議簡單等特點，是電子系統設計的常用選擇之一。很多芯片的控制都提供SPI接口。

SPI 是英語 Serial Peripheral Interface 的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，最早由Motorola提出的。由于其簡單易用的特性，現在很多的芯片都集成了SPI通信協議。

SPI傳輸串行數據時首先傳輸最高位。波特率可以高達5Mbps，具體速度大小取決于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件傳輸速度能達到5MHz。

SPI flash 芯片應用十分廣泛，在很多電子產品上面或多或少都有它的蹤影，如手機、數碼、液晶顯示器、機頂盒、電腦主板等。主要應用在EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器等,也是很多復雜芯片參數配置的常用接口。

SPI總線介紹

SPI 接口一般使用 4 條線通信，包括片選線（cs_n）、時鐘線（sclk/sck）、輸入數據線（sdi/miso） 和輸出數據線（sdo/mosi）：

SCLK：串行時鐘線，由主設備產生；

MISO：主設備數據輸入，從設備輸出；

MOSI：主設備數據輸出，從設備輸入；

CS：從設備片選信號，由主設備控制。

其中CS是片選信號，可以預先規定其為高使能或者低使能有效時，對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設備。

SPI接口在Master控制下產生的從器件使能信號和時鐘信號，兩個雙向移位寄存器按位傳輸進行數據交換，傳輸數據高位在前，低位在后（MSB）。在SCK的下降沿數據改變，上升沿一位數據被存入移位寄存器，如圖所示：

SPI總線通信特點

1.采用主-從模式(Master-Slave) 的控制方式

SPI 規定了兩個 SPI 設備之間通信必須由主設備 (Master) 來控制從設備 (Slave). 一個 Master 設備可以通過提供 Clock 以及對 Slave 設備進行片選來控制多個 Slave 設備。

2.采用同步方式(Synchronous)傳輸數據

Master 設備會根據將要交換的數據來產生相應的時鐘脈沖(Clock Pulse), 時鐘脈沖組成了時鐘信號(Clock Signal) , 時鐘信號通過時鐘極性 (CPOL) 和 時鐘相位 (CPHA) 控制著兩個 SPI 設備間何時數據交換以及何時對接收到的數據進行采樣, 來保證數據在兩個設備之間是同步傳輸的。

3.數據交換(Data Exchanges)

SPI設備間的數據傳輸之所以又被稱為數據交換, 是因為 SPI 協議規定一個 SPI 設備不能在數據通信過程中僅僅只充當一個"發送(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)". 在每個 Clock 周期內, SPI 設備都會發送并接收一個 bit 大小的數據, 相當于該設備有一個 bit 大小的數據被交換了。

SPI FLASH讀寫介紹

對flash芯片的操作，一般包括對flash芯片的擦除，編程和讀取，各大廠商的SPI flash芯片都大同小異，操作命令基本是沒什么變化的，當我們拿到一款芯片，要特別注意芯片的容量，操作分區等。

其實，無論是對芯片的擦除，編程還是讀取操作，我們大致可以按照以下的套路來：寫命令---寫地址---寫（讀）數據。正如以下的時序圖一樣清晰明了，我們先把片選信號拉低，再依次寫指令，地址和數據，就可以對FLASH芯片進行操作。

在第十七章中將通過SPI總線控制Flash為例講解擦除的實現。

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