FPGA入門系列15--SPI總線介紹

本系列文章主要針對FPGA初學(xué)者編寫，包括FPGA的模塊書寫、基礎(chǔ)語法、狀態(tài)機、RAM、UART、SPI、VGA、以及功能驗證等。將每一個知識點作為一個章節(jié)進行講解，旨在更快速的提升初學(xué)者在FPGA開發(fā)方面的能力，每一個章節(jié)中都有針對性的代碼書寫以及代碼的講解，可作為讀者參考。

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第十六章：SPI

SPI簡介

電子系統(tǒng)設(shè)計中，往往被IIC/SPI/UART等總線搞的暈頭轉(zhuǎn)向，本文詳細介紹SPI總線的接口協(xié)議和應(yīng)用。

SPI總線是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU/FPGA/DSP等控制器與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信。其具有通信速度快，同步設(shè)計以及控制協(xié)議簡單等特點，是電子系統(tǒng)設(shè)計的常用選擇之一。很多芯片的控制都提供SPI接口。

SPI 是英語 Serial Peripheral Interface 的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，最早由Motorola提出的。由于其簡單易用的特性，現(xiàn)在很多的芯片都集成了SPI通信協(xié)議。

SPI傳輸串行數(shù)據(jù)時首先傳輸最高位。波特率可以高達5Mbps，具體速度大小取決于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件傳輸速度能達到5MHz。

SPI flash 芯片應(yīng)用十分廣泛，在很多電子產(chǎn)品上面或多或少都有它的蹤影，如手機、數(shù)碼、液晶顯示器、機頂盒、電腦主板等。主要應(yīng)用在EEPROM，F(xiàn)LASH，實時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器等,也是很多復(fù)雜芯片參數(shù)配置的常用接口。

SPI總線介紹

SPI 接口一般使用 4 條線通信，包括片選線（cs_n）、時鐘線（sclk/sck）、輸入數(shù)據(jù)線（sdi/miso） 和輸出數(shù)據(jù)線（sdo/mosi）：

SCLK：串行時鐘線，由主設(shè)備產(chǎn)生；

MISO：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備輸出；

MOSI：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備輸入；

CS：從設(shè)備片選信號，由主設(shè)備控制。

其中CS是片選信號，可以預(yù)先規(guī)定其為高使能或者低使能有效時，對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設(shè)備。

SPI接口在Master控制下產(chǎn)生的從器件使能信號和時鐘信號，兩個雙向移位寄存器按位傳輸進行數(shù)據(jù)交換，傳輸數(shù)據(jù)高位在前，低位在后（MSB）。在SCK的下降沿數(shù)據(jù)改變，上升沿一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器，如圖所示：

SPI總線通信特點

1.采用主-從模式(Master-Slave) 的控制方式

SPI 規(guī)定了兩個 SPI 設(shè)備之間通信必須由主設(shè)備 (Master) 來控制從設(shè)備 (Slave). 一個 Master 設(shè)備可以通過提供 Clock 以及對 Slave 設(shè)備進行片選來控制多個 Slave 設(shè)備。

2.采用同步方式(Synchronous)傳輸數(shù)據(jù)

Master 設(shè)備會根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘脈沖(Clock Pulse), 時鐘脈沖組成了時鐘信號(Clock Signal) , 時鐘信號通過時鐘極性 (CPOL) 和 時鐘相位 (CPHA) 控制著兩個 SPI 設(shè)備間何時數(shù)據(jù)交換以及何時對接收到的數(shù)據(jù)進行采樣, 來保證數(shù)據(jù)在兩個設(shè)備之間是同步傳輸?shù)摹?/p>

3.數(shù)據(jù)交換(Data Exchanges)

SPI設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸之所以又被稱為數(shù)據(jù)交換, 是因為 SPI 協(xié)議規(guī)定一個 SPI 設(shè)備不能在數(shù)據(jù)通信過程中僅僅只充當(dāng)一個"發(fā)送(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)". 在每個 Clock 周期內(nèi), SPI 設(shè)備都會發(fā)送并接收一個 bit 大小的數(shù)據(jù), 相當(dāng)于該設(shè)備有一個 bit 大小的數(shù)據(jù)被交換了。

SPI FLASH讀寫介紹

對flash芯片的操作，一般包括對flash芯片的擦除，編程和讀取，各大廠商的SPI flash芯片都大同小異，操作命令基本是沒什么變化的，當(dāng)我們拿到一款芯片，要特別注意芯片的容量，操作分區(qū)等。

其實，無論是對芯片的擦除，編程還是讀取操作，我們大致可以按照以下的套路來：寫命令---寫地址---寫（讀）數(shù)據(jù)。正如以下的時序圖一樣清晰明了，我們先把片選信號拉低，再依次寫指令，地址和數(shù)據(jù)，就可以對FLASH芯片進行操作。

在第十七章中將通過SPI總線控制Flash為例講解擦除的實現(xiàn)。

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