SPI总线是什么？FPGA串行外围接口SPI设计应如何实现？

SPI总线是什么？FPGA串行外围接口SPI设计应如何实现？

引言

1 SPI 总线的结构和工作原理

SPI 总线区分主机（Master）和从机（Slave）两部分，它的结构框图如图1 所示。

图1 SPI 总线结构框图

其工作原理是： 当没有数据需要在主机和从机之间传输时，主机控制SCK 输出空闲电平，CS 输出无效电平，SPI 总线处于空闲状态；当有数据需要传输时，主机控制CS 输出有效电平，SCK输出时钟信号，SPI 总线处于工作状态；在某个时钟边沿，主机和从机同时发送数据，将数据分别传输到MOSI 和MISO 上；在下一个时钟边沿，主机和从机同时接收数据，分别将MISO 和MOSI上的数据接收并存储；当数据全部传输完毕时，主机控制SCK 输出空闲电平，CS 输出无效电平，SPI 总线重新回到空闲状态。至此，一个完整的SPI 总线数据传输过程完成。

图2 SPI 总线的工作时序

2 SPI 主机模块的设计

本文设计的SPI 主机模块主要完成以下工作：

（1） 将主机收到的8 位并行数据转换为串行数据，并发送给从机；（2） 接收来自从机的串行数据，将其转换为并行数据，通过并行端口输出；（3） 输出从机所需要的输入信号、时钟信号SCK 和片选信号CS。

图3 SPI 总线的硬件结构

data_i 是待发送数据的8 位并行输入端。data_o 是用于接收和发送数据的移位寄存器， 也是数据传输完成时已接收数据的8位并行输出端，图4 是所设计的SPI 主机模块的框图。

图4 SPI 模块框图

3 设计的仿真、综合与实现

图5 SPI 模块的仿真波形

从图中可以看出，sck 的空闲电平IDLE=0，接收数据时刻是下降沿即ACTIVE-IDLE 边沿， 故该SPI 模块的工作模式是CPOL=0，CPHA=1，与设计一致。当en=0 时，cs=1，SPI 总线处于空闲状态。当en=1 时，在下降沿cs=0，sck 输出时钟信号，总线数据传输开始。同时，data_o=data_i， 移位寄存器存入待发送数据11010111.在第1 个周期上升沿，主机通过mosi 发送data_o 最高位1 至从机。在第1 个周期下降沿，data_o 左移一位，多出一个空闲位data_o［0］，主机通过miso 接收从机发送的数据最高位1，并将其存入data_o［0］，data_o=10101111.依此类推，后面7 个周期的数据传输过程与第1 个周期类似。8 位数据全部传输完成之后，cs=1，一个完整的SPI 总线传输过程结束。可以发现，data_o中的数据被一个一个从主机发送到从机，同时data_o 也被用来存储从机发送的数据。8 个周期完成之后，data_o 中存储的数据正是从机发送的数据10101101.综合以上分析，该SPI 模块的功能是正确的。

4 结语

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