SPI數(shù)據通信是常用的一種中低速芯片級的數(shù)據通信。SPI數(shù)據通信協(xié)議簡單，連線不多，而且是全雙工通信，因此廣泛用于實現(xiàn)數(shù)據轉換和數(shù)據存儲等功能。本章簡要介紹SPI數(shù)據通信的協(xié)議及主端與從端的VerilogHDL建模與仿真。

SPI數(shù)據通信協(xié)議

SPI是英文Serial Peripheral Interface的首字母縮寫，中文可以翻譯為串行外圍設備接口。SPI 是Motorola公司首先推出的一種同步串行接口。它用于CPU或者FPGA與各種外圍器件進行全雙工、同步串行數(shù)據通信。SPI 通信接口簡單，只需要4根線：clk同步時鐘信號、mosi主端輸出/從端輸人數(shù)據信號、miso主端輸人/從端輸出數(shù)據信號、cs從端片選信號（如果有多個從端，則需要有多個cs從端片選信號與之相對應)。SPI數(shù)據通信的同步串行傳輸順序是高位先傳、低位后傳。

四種SPI通信模式

SPI數(shù)據通信有4種模式，分別稱為模式1至模式4。不同的模式是由開始數(shù)據采樣的邊沿及時鐘的空閑狀態(tài)決定的。時鐘的空閑狀態(tài)有2種，即高電平與低電平，分別對應CPOL=1與CPOL=0，如圖18-1所示。

發(fā)送與接收數(shù)據的時鐘邊沿的情況也有2種：數(shù)據開始采樣發(fā)生在時鐘的第一個邊沿（也可理解為奇數(shù)邊沿進行數(shù)據采樣）與數(shù)據開始發(fā)送發(fā)生在時鐘的第二個邊沿（也可理解為偶數(shù)邊沿進行數(shù)據發(fā)送），分別對應 CPHA=0與CPHA=1，如圖18-2與圖18-3所示。

根據CPOL與CPHA的值，SPI的傳輸就可分為4種模式：模式0是CPOL=0，CPHA=0；模式1是CPOL= 1，CPHA=0；模式2是CPOL=0，CPHA=1；模式3是CPOL=1，CPHA=1。本章以模式0為例進行介紹。

對應圖18-2，分析在片選信號下降沿有效時開始發(fā)送最高位數(shù)據，其余的數(shù)據在時鐘信號的下降沿發(fā)送，最后一個時鐘下降沿不發(fā)送數(shù)據。而數(shù)據采樣發(fā)生在時鐘信號的上升沿。

SPI從端數(shù)據通信模塊

SPI從端數(shù)據通信模塊建模

SPI數(shù)據通信分主端與從端，從端被動地進行數(shù)據通信的接收與發(fā)送。從端被動的數(shù)據通信是根據時鐘信號與片選信號的邊沿進行判斷的。當片選信號的下降沿有效時發(fā)送最高位數(shù)據，當時鐘信號上升沿有效時進行數(shù)據采樣接收數(shù)據。根據以上分析設計Verilog HDL代碼如【代碼18-1】所列。

【代碼18-1】

【代碼18-1】編譯無誤后，設計【代碼18-1】的測試平臺，通過觀察分析波形來確定spi_slave模塊是否滿足SPI從端數(shù)據通信的邏輯功能。設計spi_slave模塊的測試平臺如【代碼18-2】所列。

【代碼18-2】

在ModelSim軟件中對【代碼18-1】進行波形仿真，如圖18-4所示。

波形仿真報告分析

在圖18-4上，先確定SPI主端發(fā)送的數(shù)據是00001001，SPI從端發(fā)送的數(shù)據是10000001。在373 ns時刻捕獲到SPI片選信號r_spi_cs的下沿，此時主、從端開始發(fā)送最高位數(shù)據0與1，在接下來的時鐘下降沿發(fā)送其余的數(shù)據，同時在時鐘的上升沿接收數(shù)據。最后，從端接收到的數(shù)據w_ srx_data為00001001，該數(shù)據與主端發(fā)送的數(shù)據00001001一致，說明SPI從端實現(xiàn)了數(shù)據通信。

SPI主端數(shù)據通佶模塊

SPI主端數(shù)據通信模塊建模

在數(shù)據通信模式上，SPI主端與SPI從端一樣，也分為4種模式，而且數(shù)據發(fā)送與接收的時序也基本一致。本節(jié)也是以模式0為例。與SPI從端不同的是，SPI主端多了產生片選信號與時鐘的邏輯，因為在SPI數(shù)據通信中，片選信號與時鐘信號是由SPI主端產生的。因此，只要根據模式0的時序關系產生相應的片選信號與時鐘信號，再實例化SPI從端模塊即可設計成SPI主端模塊。根據以上分析設計Verilog HDL代碼如【代碼18-3】所列。

【代碼18-3】

【代碼18-3】編譯無誤后，設計【代碼18-3】的測試平臺，通過觀察分析波形來確定spi_master模塊是否滿足SPI主端數(shù)據通信的邏輯功能。設計spi_master模塊的測試平臺如【代碼18-4】所列。

【代碼18-4】

在ModelSim軟件中對【代碼18-3】進行波形仿真，如圖18-5所示。

波形仿真報告分析

在圖18-5上，先確定SPI主端發(fā)送的數(shù)據r_mtx_data是00001101，SPI從端發(fā)送的數(shù)據r_stx_data是00001101。經過8個SPI時鐘周期之后，主、從端都接收到數(shù)據00001101，說明SPI主、從端實現(xiàn)了數(shù)據通信。

本篇知識點主要介紹有關SPI主、從端數(shù)據通信建模方面的內容，包括什么是SPI數(shù)據通信，四種SPI通信模式，以及SPI主、從端通信模塊建模的具體方法。另外，我們還講到如何基于Qsys的最小Nios II系統(tǒng)的搭建，基于其自帶的IP模塊的使用，包括了PIO模塊、UART模塊、定時器模塊以及SPI模塊等，基于Qsys的自定義外設、自定義指令的應用實例。