SPI通信——FPGA学习笔记14

embedded/2024/12/22 4:00:06/

一、简介

        SPI(Serial Periphera 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、FIash、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。        

多从机

常规寻址：

通信过程：

SPI协议

时钟极性（CPOL）：空闲时时钟的电平极性

时钟相位（CPHA）：控制数据更新时刻和采样时刻

CPOL=0,CPHA=0

Sendstrobe：内部发送模块发送的触发信号；Capstrobe：内部接收数据模块采样的触发信号

CPOL=0,CPHA=1

CPOL=1,CPHA=0

 CPOL=1,CPHA=1

 

驱动基本模块

FPGA时序要求

二、程序设计

1、本实验设计一个SPI发送驱动，包含SPI四种工作模式

2、握手信号

        只有当req请求信号拉高并低电平时才会开启一次数据传输，数据传输过程中busy信号拉高表示设备忙。

3、SPI发送状态机控制器设计

`timescale 1ns / 1psmodule spi_tx#(parameter CLK_DIV   = 'd100 ,   //     parameter CPOL      = 1'b0  ,   //时钟极性parameter CPHA      = 1'b0      //时钟相位
)
(   input           I_clk           ,   //系统时钟input           I_rstn          ,   //系统复位input           I_spi_tx_req    ,   //发送数据请求input   [7:0]   I_spi_tx_data   ,   //发送数据output          O_spi_mosi      ,   //输出SPI数据output          O_spi_sclk      ,   //输出SPI时钟output          O_spi_busy          //输出忙信号);localparam  [9:0]   SPI_DIV     =   CLK_DIV     ;   //第二时钟边沿计数器
localparam  [9:0]   SPI_DIV1    =   SPI_DIV / 2 ;   //第一时钟边沿计数器    //分频系数一半reg [9:0]   clk_div         ;
reg         spi_en          ;       //发送使能
reg [3:0]   tx_cnt          ;
reg         spi_clk         ;
reg [7:0]   I_spi_tx_data_r ;  
reg         spi_strobe_en   ; wire        clk_end         ;   //
wire        clk_en1         ;   //第一内部时钟使能
wire        clk_en2         ;   //第二内部时钟使能
wire        spi_strobe      ;//计数器发送第一个时钟0-7次，当计数达到8时，不发送时钟
assign      clk_en1     = (clk_div == SPI_DIV1);    //第一内部时钟边沿使能      一半
assign      clk_en2     = (clk_div == SPI_DIV );    //第二内部时钟边沿使能      记满
assign      clk_end     = ((clk_div == SPI_DIV1)&&(tx_cnt == 4'd8));    //时钟结束信号    计数半个周期//当CPHA=0时，数据的第一个SCLK转换边缘被采样，因此数据更新在第二个转换边缘上
//当CPHA=1时，数据的第二个SCLK转换边缘被采样，因此数据更新在第一个转换边缘上
assign      spi_strobe = CPHA ?  clk_en1 & spi_strobe_en : clk_en2 & spi_strobe_en;
assign      O_spi_sclk  = (CPOL == 1'b1) ? !spi_clk : spi_clk ;         //设置SPI初始时钟
assign      O_spi_mosi  = I_spi_tx_data_r[7] ;                          //SPI输出数据
assign      O_spi_busy  = spi_en;//SPI时钟计数器
always @(posedge I_clk ) beginif (spi_en == 1'b0) beginclk_div <= 10'd0;end else if(clk_div < SPI_DIV)beginclk_div <= clk_div + 1'b1;endelse beginclk_div <= 10'd0;end
end//SPI时钟生成
always @(posedge I_clk ) beginif (spi_en == 1'b0) beginspi_clk <= 1'b0;    end else if(clk_en2 == 1'b1)beginspi_clk <= 1'b0;endelse if ((clk_en1 == 1'b1)&&(tx_cnt < 4'd8)) beginspi_clk <= 1'b1;end else beginspi_clk <= spi_clk;    end
end//SPI bit计数器
always @(posedge I_clk ) beginif ((!I_rstn)||(spi_en == 1'b0)) begintx_cnt <= 4'd0;end else if(clk_en1 == 1'b1)begintx_cnt <= tx_cnt + 1'b1;end
end//
always @(posedge I_clk ) beginif (!I_rstn) beginspi_strobe_en <= 1'b0;end else if(tx_cnt < 4'd8)beginif (clk_en1 == 1'b1) beginspi_strobe_en <= 1'b1;end else beginspi_strobe_en <= spi_strobe_en; end    endelse beginspi_strobe_en <= 1'b0;end
end//SPI发送模块
always @(posedge I_clk ) beginif ((!I_rstn)||(clk_end == 1'b1)) beginspi_en <= 1'b0;I_spi_tx_data_r <= 8'b0;end else if((I_spi_tx_req == 1'b1)&&(spi_en == 1'b0))begin      //启动传输spi_en <= 1'b1;I_spi_tx_data_r <=  I_spi_tx_data;endelse if (spi_en == 1'b1) beginI_spi_tx_data_r[7:0] <= (spi_strobe)?{I_spi_tx_data_r[6:0],1'b1} : I_spi_tx_data_r;end
endendmodule

`timescale 1ns / 1psmodule spi_master_tx#(parameter   CLK_DIV = 100
)
(input   I_clk       ,   //input   I_rstn      ,   //output  O_spi_sclk  ,   //output  O_spi_mosi      //
);wire        spi_busy    ;   //spi忙的标志
reg         spi_tx_req  ;   //spi请求发送
reg [7:0]   spi_tx_data ;   //spi待发送数据
reg [1:0]   M_S         ;   //状态机always @(posedge I_clk ) beginif (!I_rstn) beginspi_tx_req  <=  1'b0;spi_tx_data <=  8'd0;M_S         <=  2'd0;end else begincase (M_S)0:beginif (spi_busy == 1'b0) beginspi_tx_req   <= 1'b1;       //请求发送spi_tx_data  <= spi_tx_data + 1'b1;     //测试累加数据M_S          <= 2'd1; end end 1:beginif (spi_busy == 1'b1) begin     //清楚请求信号spi_tx_req <= 1'b0;M_S        <= 2'd0;endenddefault:M_S        <= 2'd0;endcase    end
endspi_tx#(.CLK_DIV   (CLK_DIV),   //     .CPOL      (1'b0   ),   //时钟极性.CPHA      (1'b0   )    //时钟相位
)
u_spi_tx(   .I_clk           (I_clk         ),   //系统时钟.I_rstn          (I_rstn        ),   //系统复位.I_spi_tx_req    (spi_tx_req    ),   //发送数据请求.I_spi_tx_data   (spi_tx_data   ),   //发送数据.O_spi_mosi      (O_spi_mosi    ),   //输出SPI数据.O_spi_sclk      (O_spi_sclk    ),   //输出SPI时钟.O_spi_busy      (spi_busy      )    //输出忙信号
);endmodule

 

`timescale 1ns / 1psmodule tb( );localparam  SYS_TIME = 4'd10;reg I_clk;
reg I_rstn;wire    O_spi_mosi;
wire    O_spi_sclk;spi_master_tx#(.CLK_DIV (100)
)
u_spi_master_tx(.I_clk       (I_clk         ),   //.I_rstn      (I_rstn        ),   //.O_spi_sclk  (O_spi_sclk    ),   //.O_spi_mosi  (O_spi_mosi    )    //
);initial beginI_clk = 0;I_rstn = 0;#100;I_rstn = 1;
endalways #(SYS_TIME / 2) I_clk = !I_clk;endmodule

 00

4、SPI接收模块

 

`timescale 1ns / 1psmodule spi_rx#
(parameter   BITS_LEM    =   8       ,//bit数量parameter   CPOL        =   1'b0    ,parameter   CPHA        =   1'b0     
)
(   input                       I_clk       ,   //系统时钟input                       I_rstn      ,   //系统复位input                       I_spi_clk   ,   //SPI时钟input                       I_spi_rx    ,   //SPI rx数据总线input                       I_spi_ss    ,   //SPI片选信号output                      O_spi_rvalid,   //SPI rx接收数据有效信号  1：rdata有效     0：无效output [BITS_LEM - 1'b1:0]  O_spi_rdata     //SPI rx接收到的数据输出);reg [3:0]               spi_clk_r   ;       //时钟打拍
reg [3:0]               spi_ss_r    ;       //片选打拍
reg                     spi_cap     ;       //采样信号
reg [3:0]               spi_bit_cnt ;       //bit计数器
reg [BITS_LEM - 1'b1:0] spi_rx_r1   ;       //接收缓存wire                    spi_rx_en   ;       //接收使能
wire                    spi_clkp    ;       //spi上升沿
wire                    spi_clkn    ;       //spi下升沿assign  spi_clkp        =   (spi_clk_r[3:2] == 2'b01)   ;        //spi上升沿
assign  spi_clkn        =   (spi_clk_r[3:2] == 2'b10)   ;        //spi下升沿
assign  spi_rx_en       =   (!spi_ss_r[3])              ;assign  O_spi_rdata     =   spi_rx_r1                   ;
assign  O_spi_rvalid    =   (spi_bit_cnt == BITS_LEM)   ;//I_spi_clk去毛刺
always @(posedge I_clk or negedge I_rstn ) beginif (!I_rstn) beginspi_clk_r <= 1'b0;end else beginspi_clk_r <= {spi_clk_r[2:0],I_spi_clk};     end
end//I_spi_ss去毛刺
always @(posedge I_clk or negedge I_rstn ) beginif (!I_rstn) beginspi_ss_r <= 1'b0;end else beginspi_ss_r <= {spi_ss_r[2:0],I_spi_ss};     end
end//cap信号生成    何时采样
always @( * ) beginif (CPHA == 1'b1) beginif (CPOL == 1'b1) beginspi_cap = spi_clkn;        //CPHA = 1   CPOL = 1end else beginspi_cap = spi_clkp;        //CPHA = 1   CPOL = 0   endend else beginif (CPOL == 1'b1) beginspi_cap = spi_clkn;         //CPHA = 0   CPOL = 1 end else beginspi_cap = spi_clkp;         //CPHA = 0   CPOL = 0 endend
end//bit计数器
always @(posedge I_clk ) beginif ((spi_rx_en == 1'b1)&&(spi_bit_cnt < BITS_LEM)&&(spi_cap == 1'b1)) begin    //开启接收，并且未达到计数最大值spi_bit_cnt <= spi_bit_cnt + 1'b1;end else if((spi_rx_en == 1'b0)||(spi_bit_cnt == BITS_LEM))begin    //未开启接收    或计数到最大追spi_bit_cnt <= 4'd0;end
end//bit移位  串转并
always @(posedge I_clk ) beginif ((spi_rx_en == 1'b1)&&(spi_cap == 1'b1)) beginspi_rx_r1 <= {spi_rx_r1[BITS_LEM - 2:0],I_spi_rx};          //移位寄存   高位在前end else if(spi_rx_en == 1'b0)beginspi_rx_r1 <= 'd0;end
endendmodule

`timescale 1ns / 1psmodule tb( );localparam   BYTES       =   8       ;
localparam   CPOL        =   1'b0    ;
localparam   CPHA        =   1'b0    ;localparam   TCNT        =   BYTES * 8 * 2 - 1;reg             I_clk               ;       //系统时钟
reg     [7:0]   i                   ;       //计数器，产生SPI时钟           
reg             I_rstn              ;       //系统复位
reg             I_spi_clk           ;       //SPI时钟
reg             I_spi_ss            ;       //SPI片选
reg     [3:0]   bit_cnt             ;       //bit计数器           
reg     [7:0]   spi_tx_buf          ;       //发送缓冲（移位寄存器）
reg     [7:0]   spi_tx_buf_r        ;       //发送化缓冲，用于生成测试文件
reg             first_data_flag     ;       //是否是一个时钟该变数据           wire            O_spi_rvalid        ;       //SPI数据接收有效
wire    [7:0]   O_spi_rdata         ;       
wire            I_spi_rx            ;  assign  I_spi_rx = spi_tx_buf[7];spi_rx#
(.BITS_LEM    (8      ) ,//bit数量.CPOL        (1'b0   ) ,.CPHA        (1'b0   )  
)
u_spi_rx(   .I_clk       (I_clk         ),   //系统时钟.I_rstn      (I_rstn        ),   //系统复位.I_spi_clk   (I_spi_clk     ),   //SPI时钟.I_spi_rx    (I_spi_rx      ),   //SPI rx数据总线.I_spi_ss    (I_spi_ss      ),   //SPI片选信号.O_spi_rvalid(O_spi_rvalid  ),   //SPI rx接收数据有效信号  1：rdata有效     0：无效.O_spi_rdata (O_spi_rdata   )    //SPI rx接收到的数据输出
);initial beginI_clk = 0;I_rstn = 0;#100;I_rstn = 1;
endalways #5 I_clk = !I_clk;initial begin#100i = 0;forever beginI_spi_clk = CPOL;I_spi_ss = 1;#2000I_spi_ss = 0;for (i = 0;i<TCNT ;i = i + 1 ) begin#1000I_spi_clk = !I_spi_clk;end#2000I_spi_ss = 1;end
endinitial begin#100bit_cnt = 0;first_data_flag = 0;spi_tx_buf[7:0] = 8'ha0;spi_tx_buf_r[7:0] = 5'ha0;forever beginwait(I_spi_ss);bit_cnt = 0;spi_tx_buf[7:0] =   8'ha0;spi_tx_buf_r[7:0] = 8'ha0; if ((CPHA == 1 && CPOL == 0)||(CPHA == 1 && CPOL == 1)) beginfirst_data_flag = 1;endwait(!I_spi_ss);while (!I_spi_ss) beginif (CPHA == 0 && CPOL == 0) begin@(negedge I_spi_clk)beginif (bit_cnt == 7) beginbit_cnt = 0;spi_tx_buf_r = spi_tx_buf_r + 1'b1;spi_tx_buf = spi_tx_buf_r;end else beginspi_tx_buf = {spi_tx_buf[6:0],1'b0};bit_cnt = bit_cnt + 1'b1;endendend if (CPHA == 0 && CPOL == 1) begin@(posedge I_spi_clk)beginif (bit_cnt == 7) beginbit_cnt = 0;spi_tx_buf_r = spi_tx_buf_r + 1'b1;spi_tx_buf = spi_tx_buf_r;end else beginspi_tx_buf = {spi_tx_buf[6:0],1'b0};bit_cnt = bit_cnt + 1'b1;endendendif (CPHA == 1 && CPOL == 0) begin@(posedge I_spi_clk)beginif (first_data_flag == 1'b1) beginfirst_data_flag = 0;endelse beginif (bit_cnt == 7) beginbit_cnt = 0;spi_tx_buf_r = spi_tx_buf_r + 1'b1;spi_tx_buf = spi_tx_buf_r;end else beginspi_tx_buf = {spi_tx_buf[6:0],1'b0};bit_cnt = bit_cnt + 1'b1;endendendend  if (CPHA == 1 && CPOL == 1) begin@(negedge I_spi_clk)beginif (first_data_flag == 1'b1) beginfirst_data_flag = 0;endelse beginif (bit_cnt == 7) beginbit_cnt = 0;spi_tx_buf_r = spi_tx_buf_r + 1'b1;spi_tx_buf = spi_tx_buf_r;end else beginspi_tx_buf = {spi_tx_buf[6:0],1'b0};bit_cnt = bit_cnt + 1'b1;endendendend  endend
endendmodule

三、仿真验证

 

 

 


http://www.ppmy.cn/embedded/127883.html

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