1 引言

長期以來，外圍設備與主機CPU速度之間的不匹配始終困擾著人們，影響了計算機系統更迅速的發展，成為系統基本I/O的瓶頸問題。隨著計算機處理能力及存儲規模的迅速增長，這個問題表現得更加突出。為此人們采取了各種軟、硬件的方法，不斷地改善著CPU與I/O設備之間的接口性能。

目前，嵌入式系統已經廣泛應用于通信、消費類電子產品等許多領域。然而，在許多應用中，處理器的接口問題依然是制約系統性能的瓶頸。對于給定的設計，設計者面對這些紛繁蕪雜的接口標準選擇的余地并不大。他們一般根據系統所需的成本及功能選擇合適的標準產品，這可能導致接口標準沖突和引起互用性問題；或許設計者可能重新選擇與接口兼容的標準器件，但可能會造成不能滿足功能需要或系統的成本要求等。

在過去幾年里，用于消除IC、電路板和系統之間數據傳輸瓶頸的接口標準層出不窮，為通信系統器件所提供的接口技術種類繁多。在數字系統設計中解決接口和互用性問題顯得尤為重要， FPGA技術的迅速發展使得接口問題有了好的解決方案。例如，現有的高性能接口IP及高速物理I/O的FPGA，可滿足10Gb/s以上數據通道的通信系統的要求；可以用FPGA實現接口不兼容器件間的通信問題。因此本文將提出一種新的基于FPGA 的SPI 接口設計方法。

SPI（Serial Peripheral Interface）串行外設接口總線［1］是一種同步全雙工串行通信接口總線，由于其連線簡單，使用起來非常方便，故得到廣泛應用。在很多新型器件如LCD模塊、FLASH、EEPROM存儲器、數據輸入、輸出設備上都采用了SPI接口。但在實際開發應用中，若主控制器無SPI接口或需要與多個具有SPI接口的外設通信，就要使用主控制器的I/O

口通過軟件來模擬，這就在很大程度上限制了其應用給數據傳輸帶來不便。在FPGA技術迅速發展的時代，解決這個問題最方便的辦法就是集成一個SPI核到芯片上。

這里根據業界通用的SPI總線的標準，設計一種可復用的高速SPI總線。設計過程中很多變量都采用參數形式，具體應用于工程實踐時根據實際需要更改參數即可，充分體現了可復用性。

2 SPI 總線原理

SPI 總線由四根線組成：串行時鐘線（SCK），主機輸出從機輸入線（MOSI），主機輸入從機輸出線（MISO），還有一根是從機選擇線（SS），它們在與總線相連的各個設備之間傳送信息，其連接方式如圖1。

SPI 總線中所有的數據傳輸由串行時鐘SCK來進行同步，每個時鐘脈沖傳送1 比特數據。SCK 由主機產生，是從機的一個輸入。時鐘的相位（CPHA）與極性（CPOL）可以用來控制數據的傳輸。CPOL=“0”表示SCK 的靜止狀態為低電平，CPOL =“1”則表示SCK 靜止狀態為高電平。時鐘相位（CPHA）可以用來選擇兩種不同的數據傳輸模式。如果CPHA =“0”，數據在信號SS 聲明后的第一個SCK 邊沿有效。而當CPHA=“1”時， 數據在信號SS聲明后的第二個SCK 邊沿才有效。因此，主機與從機中SPI 設備的時鐘相位和極性必須要一致才能進行通信。

SPI 可工作在主模式或從模式下。在主模式下，每一位數據的發送／接收需要1 次時鐘作用；而在從模式下， 每一位數據都是在接收到時鐘信號之后才發送／接收。1個典型的SPI系統包括一個主MCU和1個或幾個從外圍器件。

3 設計原理

本系統用硬件描述語言verilog描述，是可IP復用的通用結構。

3.1 典型應用

SPI 接口的典型應用如圖2所示，微處理器與從設備通過發送指令的方式實現雙向數據傳輸。

3.2 模塊設計

根據SPI 總線的原理，本設計的SPI Master同SPI協議兼容，在主機側的設計相當于wishbone總線［2］規范兼容的slave設備，總體架構可分為以下3個功能模塊［3］：Clock generator、Serial interface、Wishbone interface如圖3所示。

3.2.1 時鐘產生模塊SPI-clgen設計

SPI時鐘分頻模塊中的時鐘信號的是外部系統提供的時鐘clk_in，此時鐘的頻率高于SPI總線使用的時鐘頻率，模塊會根據各個不同接口的時鐘分頻因子寄存器，產生相應的時鐘輸出信號clk_out作為串行時鐘。由于SPI沒有應答機制，所以傳輸時對時序的要求就相當嚴格，為了能夠保證時序的可靠性，特別設計了一個無論對于奇分頻還是偶分頻都異常可靠的時鐘生成模塊產生傳輸所需要的串行時鐘。

此模塊重點考慮了奇分頻的情況，為了節省資源，對奇分頻的實現方式做了改動同時也能實現偶分頻的情況，經過這樣設計的時鐘分頻模塊能保證分頻出可靠的時鐘信號。對輸入主時鐘的同步奇整數分頻，可以簡單地用一個Moore機來實現。比如，5分頻的狀態圖如圖4所示，編碼采用Moore機而非Mealy機，雖然增加了狀態數，但增加了可靠性。

Master核系統輸入時鐘clk-in通過divider分頻產生clk-out，通過改變divider的值，可以實現任意分頻的時鐘輸出［4］。其頻率表達式如下：

用verilog語言描述時鐘產生模塊，用ISE綜合后，其生成電路如圖5所示。

3.2.2 串行接口模塊SPI-shift設計［5］

數據傳輸模塊是SPI的核心模塊。此模塊負責把并行進來的數據串行傳出，串行進來的數據并行傳出。對于并行進來的數據位寬比較長，比如128位的數據時，為了提高傳輸的速度，本文設計工作中犧牲了資源改進了以前的保守的SPI模塊。SPI Master核在主機側作為slave設備接收數據，同時作為master設備發送數據。此模塊verilog代碼經ISE綜合后如圖6所示。

3.2.3 頂層TOP模塊

本文在分析協議的基礎上建立了高速可復用SPI總線的基本結構，包括時鐘生成模塊，數據傳輸模塊，并用上層TOP模塊調用底層的兩個模塊。頂層模塊的重要作用就是讓分模塊能夠順利的運作起來。所以此SPI核的頂層模塊要寫入控制字，通過狀態機控制調用時鐘生成模塊和數據傳輸模塊正常運行。其經ISE綜合后如圖7所示。

4 仿真與驗證

將用verilog 描述好的SPI 接口電路用ISE進行綜合，然后用modelsim 軟件進行仿真［6］。在建立測試平臺時，首先要建立模擬Wishbone協議的master模塊，同時建立模擬SPI協議的slave模塊，再將接收／發送數據和地址進行比較、校驗。SPI-topTestbench總體架構如圖8所示。

為了簡單仿真8bit數據傳輸［7］，首先進行復位，然后設置寄存器，再進行寄存器校驗，無誤之后進行8bit數據傳輸，在tx上升沿發送數據，rx下降沿接收數據，仿真波形如圖9所示。同理可以仿真64bit、128bit等數據傳輸仿真波形。

用ISE軟件進行編譯，將生成的網表文件通過JTAG下載到xilinx 公司的spartan3 系列FPGA運行，在ISE 的輔助分析下得到了正確的結果。

5 結束語

隨著半導體技術的進步，FPGA 的價格越來越便宜， 工作頻率越來越高，使用FPGA 實現SPI 通信接口是切實可行的。

由于SPI對傳輸時序要求非常嚴格，所以本文工作中設計了一種比較可靠，穩定的時鐘生成模塊，它對于奇偶分頻的情況分別考慮，從而避免了以往SPI總線中對系統時鐘奇分頻時會出現分頻出的時鐘不穩定的問題。數據傳輸模塊采用較簡潔的并串互轉結構，一次最多可傳輸128位，速度是遵守SPI協議的同類器件里較快的。并且從128位到8位可選具體一次要傳輸多少位，有別于以往一次傳輸的位數為定值的情況。