[米联客-安路飞龙DR1-FPSOC] FPGA基础篇连载-13 SPI通信协议原理

软件版本：Anlogic -TD5.9.1-DR1_ES1.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用安路(Anlogic)FPGA

实验平台：米联客-MLK-L1-CZ06-DR1M90G开发板

板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/

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1概述

SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口)通讯协议，是 Motorola 公司提出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工、同步通信总线，在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输，广泛用于 EEPROM、Flash、RTC(实时时钟)、ADC(数模转换器)、DSP(数字信号处理器)以及数字信号解码器上，是常用的、重要的低速通讯协议之一。本节我们主要学习SPI通信的原理。

SPI通信协议简介：

SPI是一种高速的、全双工、同步、主从式的串行总线接口，也是各类嵌入式设备以及FPGA应用开发中常用的一种串行通信接口。SPI的接口速度可以最高到上百兆，因此SPI接口不仅仅可以应用于低速设备进行合理的时序设计，也可以用于一些高速串行外设通信。

采用SPI接口的设备一般兼顾低速通信和上百兆的高速通信，比如最常见的FPGA的配置FLASH，最高可以支持100Mbps以上。FPGA内置的SPI配置控制器，可以支持多数据总线方式：X1 X2 X4 X8模式，这样大大提高配置速度，减少配置时间，另外比如高精度ADC芯片AD7606，可以采用自定义SPI协议完成多路高精度ADC的实时采集。

相比嵌入式单片机或者ARM已经集成了的SPI控制器，FPGA的SPI控制器完全由逻辑代码实现，我们可以在FPGA上自己设计SPI控制器然后应用于我们的项目中。

学习FPGA一定要具备非常熟练的FPGA代码设计能力，作为入门学习，掌握SPI串行控制器设计的意义不仅仅是SPI的实用性，更重要的是通过这些简单接口时序的设计，增加初学者原创代码的设计能力，创造能力，这些基础的能力是我们以后面对复杂问题，解决FPGA代码构架设计、通信接口设计、时序逻辑设计的关键能力。

对于SPI Master主设备(所谓的主设备也就是所有的数据发送或者发起者):

SCLK：(spi clock)时钟，由Master发送，用于同步数据，决定了通信速率，不同设备支持的最高时钟频率不同

MOSI：(master out slave in)主设备输出数据，从设备输入数据，信号线上的数据方位由主机到从机

MISO：(master in slave out)主设备输入数据，从设备输出数据

SS：(slave selcet)从设备选择，该信号由Master主机产生,

对于SPI SLAVE从设备:

SCLK：(spi clock)时钟，该时钟由Master主机产生

SIMO：(slave in master out)从机接收来自主机发送的数据

SOMI：(slave out master in)从机发送数据

SS：(slave selce)t从设备选择，该信号由Master主机产生

寻址方式：

需要注意对于SPI控制器数据位宽可以X1 X2 X4 X8方式，SS选通的外设根据控制器的设计也可以支持多个。当有多个SPI Slave与SPI Master相连时，都共同使用SCK、MOSI、MISO这三条总线，每一个SPI Master都有独立的片选信号（SS），通过SS片选信号来决定和哪台从设备进行通信。更复杂的SPI控制器才能通过SS信号进行总线的竞争实现多主机的仲裁。

以下方案中主控制器通过SS0~SS1可以选通多个SPI外设。当主设备要和某个从设备进行通信时，主设备需要先向对应从设备的片选线上发送使能信号（高电平或者低电平，根据从机而定）表示选中该从设备。如果使能多个SS片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。

通信过程：

要开始SPI通信，主机必须发送时钟信号，并通过使能SS信号选择从机。只有片选信号SS拉低（或者拉高），MOSI和MISO在SCLK每一个周期传送一位数据。SPI总线在进行数据传送时，没有硬性规定先传送高位还是低位，但是通信双方要约定好相同的传送方式，一般采用先传送高位，后传送低位。例如下图，MOSI和MISO同时从高位开始传输，一个字节传送完成后无需应答即可开始下一个字节的传送，八个时钟周期即可完成一个字节数据的传送。

多从机配置：

主机可以通过将从机的CS片选信号来选择要与之通信的从机，从机可以采用常规模式连接，或采用菊花链模式连接。

常规SPI模式

主机上可以有多个CS引脚，允许多个从机并联接线。如果主机只有一个CS引脚，则可以通过菊花链将多个从器件连接到主机。所有从机的片选信号连接在一起，所有从机同时接收同一SPI时钟，来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。然而在这种方法中，当数据从一个从机传SDO播到下一个从机SDI时，会有周期延迟。

菊花链SPI模式

2 SPI时序协议

米联客的FPGA入门课程以标准的SPI控制器来说明，SPI的数据位宽是X1方式来讲解协议本身和标准控制器的设计，SS选通信号可以不使用，并且SPI控制器不支持仲裁功能。这种标准的协议作为入门学习是最佳选择，对于SPI的扩展应用，比如X4模式访问QSPI 接口的FLASH，我们可以在应用方案部分继续讨论。

SPI总线传输有4种不同的模式，不同的从设备可能在出厂是就是配置为某种模式，这是不能改变的，但我们的通信双方必须是工作在同一模式下。SPI总线的工作方式由时钟极性（Clock Polarity ，CPOL）与时钟相位（Clock Phase ，CPHA）来定义。我们可以通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来控制我们主设备的通信模式。

CPOL(时钟极性)：

决定在总线空闲时，同步时钟（SCLK）信号线上的电位是高电平还是低电平。当时钟极性为0时（CPOL=0），SCK信号线在空闲时为低电平；当时钟极性为1时（CPOL=1），SCK信号线在空闲时为高电平；

CPHA(时钟相位)：

对于SPI主控制器决定了数据的更新时刻设计，对于SPI从控制器决定了数据的采样时刻。当时钟相位为0时（CPHA=0），在sclk的第1个跳变沿采样；当时钟相位为1时（CPHA=1），在sclk的第2个跳变沿采样；

以下我们给出CPOL和CPHA的共计4种情况。

SCLK：SPI的总线时钟

DATA：SPI的总线数据

Sendstrobe：SPI 控制器内部程序发送数据的触发信号

CapStroble：SPI 接收制器内部程序采样数据的触发信号

2.1 CPOL=0 CPHA=0

CPOL=0 CPHA=0默认SCLK为低电平，对于发送方，在对于第1个bit数据提前放到总线，建议提前0.5个SCK周期，对于接收方，数据在第1个SCLK跳变沿采样，并且容易满足时序约束。

2.2 CPOL=0 CPHA=1

CPOL=0 CPHA=1默认SCLK为低电平，对于发送方，在第1个SCLK的跳变沿更新(对于第一个bit数据可以提前放到总线)对于接收方，数据在第2个SCLK跳变沿采样，并且容易满足时序约束。

2.3 CPOL=1 CPHA=0

CPOL=1 CPHA=0默认SCLK为高电平，对于发送方，在对于第1个bit数据提前放到总线，建议提前0.5个SCK周期，对于接收方，数据在第1个SCLK跳变沿采样，并且容易满足时序约束。

2.4 CPOL=1 CPHA=1

CPOL=1 CPHA=1默认SCLK为高电平，对于发送方，在第1个SCLK的跳变沿更新(对于第一个bit数据可以提前放到总线)对于接收方，数据在第2个SCLK跳变沿采样，并且容易满足时序约束。

3 SPI驱动程序基本模块

一个基本的SPI Master驱动程序至少包含用于产生SCLK的时钟分频单元，发送数据并串移位模块、接收数据串并移位模块；

一个基本的SPI Slave驱动程序至少包含接收数据的串并移位模块，和发送数据的并串转换模块。

4 FPGA时序要求

基于FPGA的程序设计一定要时刻考虑程序能够满足时序要求，如下图所示。最佳的采样时刻在数据的中心位置，这样可以获得最大的Tsu(数据建立时间)和Thd(数据保持时间)。关于更多时序方面的设计要求可以参考"米联客FPGA代码时序设计专题篇"相关课程内容。