如何利用現(xiàn)成IP不寫代碼實現(xiàn)三線制SPI？

最近使用ZYNQ做一個高速數(shù)據采集，需要訪問一個ADI的高速模數(shù)采樣芯片，該芯片是利用三線制實現(xiàn)讀以及寫的功能。三線制實現(xiàn)寫通信或許大家都經常會這樣用，三線制實現(xiàn)讀/寫或許有的朋友就未曾這樣用過。今天就分享一下利用現(xiàn)成IP不寫任何代碼怎么實現(xiàn)三線制SPI。

背景ADI很多芯片都采用三線制SPI進行控制，以AD9467為例，AD9467是一款 pipeline架構16位高速ADC芯片，采樣率高達250MSPS。在一些復雜系統(tǒng)中其應用領域比較廣泛：

多載波，多模式蜂窩接收機

天線陣列定位

功率放大器線性化

無線寬帶通信系統(tǒng)

雷達系統(tǒng)

紅外成像系統(tǒng)

通訊儀表系統(tǒng)等

從芯片框圖，大致可以看出，該芯片主要由以下部分組成：

三線制SPI通信接口，實現(xiàn)芯片的寄存器讀寫控制。主要用于芯片模式配置。

LVDS接口：則負責數(shù)據的對外傳輸，遵循ANSI-644 標準。

CLK+/CLK-：為輸入時鐘，時鐘之于數(shù)字芯片相當于心臟之于人，一切的動作都是由時鐘驅動的。

VIN+/VIN- ：差分輸入，模擬信號輸入通道。

對于芯片的其他部分，不是本文介紹的重點，這里來看看其SPI的通信時序圖：

結合SPI模式時序圖：

在上升沿采樣

下一位數(shù)據在CLK低期間變換

故，CPOL=0，CPHA=0.

另外，第一個bit用于標識本次報文你發(fā)起的是讀還是寫操作，這種設計是不是有點類似I2C標準中的讀寫位？

柳暗花明那么問題來了，我們需要做的SPI通信需要實現(xiàn)三線制SPI進行讀以及寫：

如果用單片機編程IO口去翻比較容易，但是要實現(xiàn)高速AD數(shù)據傳輸，常規(guī)的單片機就捉襟見肘了。LVDS接口的數(shù)據吞吐率很難做到。

如果使用ZYNQ內置的SPI外設也很容易，該外設很容易配成三線制模式。很不幸，外設引腳基本用掉了。不過可以考慮用EMIO把相應的腳從PL端拉出去。

如果利用ZYNQ PS端的GPIO也可以做到，也很不幸，做的板子PS端GPIO所剩無幾。

利用賽靈思的AXI Quad SPI IP在PL端去實現(xiàn)。折騰一段時間，發(fā)現(xiàn)這個IP貌似不支持三線制SPI。

自己用verilog HDL寫個IP掛在AXI總線上，實現(xiàn)Linux設備驅動，這個方案可以。可惜，比較懶，不想重新造輪子！

。。.。。.。

經過一番折騰，在ADI官方發(fā)現(xiàn)了一個寶藏：

https://wiki.analog.com/resources/fpga/peripherals/spi_engine

官方實現(xiàn)了SPI engine IP 框架：

執(zhí)行模塊 Execution Module：主模塊，用于處理SPI引擎命令流并實現(xiàn)SPI總線接口邏輯

AXI接口模塊：內存映射軟件可訪問SPI引擎命令流和/或卸載核心的接口

Offload模塊：存儲SPI引擎命令流，由外部事件觸發(fā)執(zhí)行

互連Interconnect 模塊：將多個SPI Engine命令流連接到SPI Engine執(zhí)行模塊

其verilog HDL代碼庫位于：

https://github.com/analogdevicesinc/hdl.git

PS/PL設計下好hdl庫，按照向導將庫make，執(zhí)行對應的tcl腳本，生成了hdl庫相應所需文件。然后按照需要設計以下block設計：

將PS端的DDR以及PL所需的時鐘FCLK_CLK0配置好，這里輸出100MHz

從ip庫里拉出來axi_spi_engine_v1_0以及spi_engine_execution_v1_0，按照上面圖連好線

連好AXI接口，以及相應的復位、時鐘信號等

設置需要幾個片選信號，可根據需要幾個從芯片可以設置多個片選信號，比如我設置2個，這樣在linux設備樹上就對應掛載兩個設備。

然后在頂層設計文件進行例化，這里問題來了，spi_1還是4個腳，如果就這樣拉出到PL端的引腳上，還是四線制，那么該怎么改呢？

看看wiki中圖以及描述，發(fā)現(xiàn)需要還需要在轉一下：

如果是三線模式時，three_wire會變成1，這個通過AXI總線命令傳過來。

sdo_t則可以控制sdo內部信號是否輸出，如果門控關斷則mosi腳變成高阻，可以采樣外部信號，從而傳入可以通過2路選擇器傳入sdi轉而為讀信號。

從而添加如下代碼在頂層文件：

assign phy_sclk = spi_sclk;assign phy_cs = spi_cs;assign phy_mosi = spi_sdo_t ？ 1‘bz ： spi_sdo;assign spi_sdi = spi_three_wire ？ phy_mosi ： phy_miso;

比如，我是這樣寫的：

`timescale 1ns / 100ps//頂層設計文件module system_top （//DDR信號inout ［14:0］ ddr_addr，inout ［ 2:0］ ddr_ba，inout ddr_cas_n，inout ddr_ck_n，inout ddr_ck_p，inout ddr_cke，inout ddr_cs_n，inout ［ 3:0］ ddr_dm，inout ［31:0］ ddr_dq，inout ［ 3:0］ ddr_dqs_n，inout ［ 3:0］ ddr_dqs_p，inout ddr_odt，inout ddr_ras_n，inout ddr_reset_n，inout ddr_we_n，//必須的一些PS信號inout fixed_io_ddr_vrn，inout fixed_io_ddr_vrp，//54個PS MIO引腳inout ［53:0］ fixed_io_mio，//PS時鐘引腳inout fixed_io_ps_clk，//PS上電復位信號inout fixed_io_ps_porb，//PS SRSTB信號inout fixed_io_ps_srstb，output ［1:0］ spi_0_cs，output spi_0_sclk，input spi_0_sdi，output spi_0_sdo，）; wire ip_spi_0_cs;wire ip_spi_0_sclk;wire ip_spi_0_sdi;wire ip_spi_0_sdo;wire ip_spi_0_three_wire; wire ip_spi_0_sdo_t;assign spi_0_cs = ip_spi_0_cs;assign spi_0_sclk = ip_spi_0_sclk;//如此處理，這樣引出的SPI可以兼容3線制以及4線制SPIassign spi_0_sdo = ip_spi_0_sdo_t ？ 1’bz ： ip_spi_0_sdo;assign ip_spi_0_sdi = ip_spi_0_three_wire ？ spi_0_sdo ： spi_0_sdi;//例化block設計ip_block_wrapper i_system_wrapper （ //DDR以及常規(guī)MIO、時鐘、復位等信號 .DDR_addr（ddr_addr）， .DDR_ba（ddr_ba）， .DDR_cas_n（ddr_cas_n）， .DDR_ck_n（ddr_ck_n）， .DDR_ck_p（ddr_ck_p）， .DDR_cke（ddr_cke）， .DDR_cs_n（ddr_cs_n）， .DDR_dm（ddr_dm）， .DDR_dq（ddr_dq）， .DDR_dqs_n（ddr_dqs_n）， .DDR_dqs_p（ddr_dqs_p）， .DDR_odt（ddr_odt）， .DDR_ras_n（ddr_ras_n）， .DDR_reset_n（ddr_reset_n）， .DDR_we_n（ddr_we_n）， .FIXED_IO_ddr_vrn（fixed_io_ddr_vrn）， .FIXED_IO_ddr_vrp（fixed_io_ddr_vrp）， .FIXED_IO_mio（fixed_io_mio）， .FIXED_IO_ps_clk（fixed_io_ps_clk）， .FIXED_IO_ps_porb（fixed_io_ps_porb）， .FIXED_IO_ps_srstb（fixed_io_ps_srstb）， //連至頂層 .spi_0_cs（ip_spi_0_cs）， .spi_0_sclk（ip_spi_0_sclk）， .spi_0_sdi（ip_spi_0_sdi）， .spi_0_sdo（ip_spi_0_sdo）， .spi_0_sdo_t（ip_spi_0_sdo_t）， .spi_0_three_wire（ip_spi_0_three_wire） ）; endmodule

Linux端配置首先需要配置設備樹：

&axi_spi_engine_0 { status = “okay”; //配置SPI控制器匹配字段，這樣會自動編譯ADI 提供的SPI 控制器驅動 compatible = “adi，axi-spi-engine-1.00.a”; spi-rx-bus-width = 《1》; spi-tx-bus-width = 《1》; bits-per-word = 《8》; interrupt-parent = 《&intc》; interrupts = 《0 30 4》; num-cs = 《4》; #address-cells = 《0x1》; #size-cells = 《0x0》; ad9467_0： ad9467@0 { compatible = “adi，ad9467”; reg = 《0》; spi-max-frequency = 《500000》; #address-cells = 《1》; #size-cells = 《1》; spi-rx-bus-width = 《1》; spi-tx-bus-width = 《1》; bits-per-word = 《8》; spi-3wire; }; ad9467_1： ad9467@1 { compatible = “spidev”; reg = 《1》; spi-max-frequency = 《500000》; #address-cells = 《1》; #size-cells = 《1》; spi-rx-bus-width = 《1》; spi-tx-bus-width = 《1》; bits-per-word = 《8》; //這個字段需要使能，表示該設備是三線制 spi-3wire; }; };

配置相應的SPI控制器驅動，然后編譯部署。由于該demo涉及些項目其他的技術細節(jié)，這里就不描述了，來看看療效：

看這個波形或許會有朋友問：為啥數(shù)據發(fā)送結束，SDO/SDI復用腳波形有一個上升的漸變暫態(tài)過程，這是由于此時從端芯片從輸出態(tài)轉為高阻態(tài)，而主端芯片此時也是高阻態(tài)，由于線路電容效應故而會有這樣一個變化過程。

總結一下利用ADI提高的IP庫，不用敲一行代碼可以很容易就實現(xiàn)了三線制SPI，香吧？該方案可以同時兼容三線制/四線制SPI，是一個成熟穩(wěn)定的方案。為什么ZYNQ芯片這樣一款SOC芯片以及Linux會被人喜歡，由此可見一斑。因為有大量成熟的輪子可供使用，而不必自己去造輪子。從而加速產品的研發(fā)進度，使用戶可以專注于自己需要解決的應用問題。

責任編輯：haq