基于FPGA实现SPI接口（配置或通信）

基于FPGA实现SPI接口（配置或通信总线）
1）总线简介
串行外设接口(SPI)是微控制器（FPGA）和外围IC（如传感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之间使用最广泛的接口之一。主要用于与其他设备进行数据传输，例如，子设备上报自检信息到主设备，主设备发送控制命令到子设备 ，子设备执行相应的操作等；此外，SPI主要的另一个用途主要是配置外围IC芯片，例如，通过SPI总线配置adc芯片正常工作。SPI是一种同步、全双工、主从式接口。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。SPI接口可以是3线式或4线式。笔者重点介绍常用的4线SPI接口。
2）硬件接口
SPI硬件连接示意图如图1所示。

图1 SPI硬件连接示意图
4线SPI器件有四个信号：
a）时钟(SPI CLK)
b）片选(CS)
c）主机输出、从机输入(MOSI)
d）主机输入、从机输出(MISO)产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的时钟频率。SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主机发送到从机，MISO将数据从从机发送到主机。这里我们以FPGA作为主机，ADC芯片作为从机。
3）逻辑设计
基于FPGA实现SPI总线可以分为两个大功能，分别为写操作和读操作。读写操作主要是基于地址和数据。写操作根据spi时序图，使用硬件描述语言（笔者使用Verilog或者sv）先写8bit写地址，再写8bit写数据即可；读操作根据spi时序图，使用硬件描述语言（笔者使用Verilog或者sv）先写8bit读地址，不用写数据（写数据赋值为0，或者高阻态），然后从读总线上获取读数据即可。SPI时序图如图2所示。

图2 SPI时序图
4）硬件验证
FPGA为k7410t，软件为vivado2019.1。
a）写验证：通过写地址01，写数据为08。
b）读验证：通过读地址01，读数据为08。
c）通过仿真工具vivado自带仿真器进行验证，仿真波形符合SPI时序图。
d）通过调试工具vivado自带调试器进行验证，调试波形符合SPI时序图。
5）结束语
基于FPGA实现SPI总线接口已经在实际项目中得到应用。笔者这里分享一点开发经验：标准的SPI协议为8bit地址和8bit数据，但是，在实际中会碰到非标准SPI协议情况。例如，地址是8bit，数据为8bit、16bit、24bit、32bit不等；还有地址是3bit、5bit，数据是8bit—32bit不等。也就是说，地址和数据是变长的。写逻辑时相对复杂一点，仅此而已。如果需要SPI源代码、仿真代码或者需要进一步讨论SPI细节，请发邮件沟通：[email protected]