基于SPI串行總線接口的Verilog實(shí)現(xiàn)

簡(jiǎn) 介：

集成電路設(shè)計(jì)越來(lái)越向系統(tǒng)級(jí)的方向發(fā)展，并且越來(lái)越強(qiáng)調(diào)模塊化的設(shè)計(jì)。SPI（Serial Peripheral Bus）總線是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口，容許CPU 與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信、交換信息。本文簡(jiǎn)述了SPI總線的特點(diǎn)，介紹了其4條信號(hào)線，SPI串行總線接口的典型應(yīng)用。

重點(diǎn)描述了SPI串行總線接口在一款802.11b芯片中的位置，及該接口作為基帶和射頻的通訊接口所完成的功能，并給出了用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL 實(shí)現(xiàn)該接口的部分程序。該實(shí)現(xiàn)已經(jīng)在Modelsim 中完成了仿真， 并經(jīng)過(guò)了FPGA 驗(yàn)證， 最后給出了仿真和驗(yàn)證的結(jié)果。

在SOC設(shè)計(jì)中，利用EDA 工具設(shè)計(jì)芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能已經(jīng)成為支撐電子設(shè)計(jì)的通用平臺(tái)。并逐步向支持系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)方向發(fā)展。而且，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，越來(lái)越強(qiáng)調(diào)模塊化設(shè)計(jì)。

SPI總線是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口，具有接口線少、通訊效率高等特點(diǎn)。本文給出的是利用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)的SPI總線模塊，該模塊是802.11b無(wú)線局域網(wǎng)芯片中一個(gè)子模塊，該模塊完成了芯片中基帶（base band）與RF的通訊工作。

1 SPI總線接口概述

SPI（Serial Parallel Bus）總線是Motorola公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口，允許CPU 與各種外圍接口器件（包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、液晶顯示驅(qū)動(dòng)器等）以串行方式進(jìn)行通信、交換信息。他使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線（MOSI）、低電平有效的使能信號(hào)線（CS）。這樣，僅需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI接口的各種I/O器件 其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

SPI總線具有以下特點(diǎn)：

（1）連線較少，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。并行總線擴(kuò)展方法通常需要8根數(shù)據(jù)線、8～16根地址線、2～3根控制線。而這種設(shè)計(jì)，僅需4根數(shù)據(jù)和控制線即可完成并行擴(kuò)展所實(shí)現(xiàn)的功能。

（2）器件統(tǒng)一編址，并與系統(tǒng)地址無(wú)關(guān)，操作SPI獨(dú)立性好。

（3）器件操作遵循統(tǒng)一的規(guī)范，使系統(tǒng)軟硬件具有良好的通用性。

2 SPI總線接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該模塊是802.1lb無(wú)線局域網(wǎng)芯片中的一子模塊，其在芯片中的位置如圖2所示。

其中base band（基帶）為SPI的主控器（master），RF（射頻）為SPI的受控器（slave）。SPI interface作為baseband與RF的通訊接口，主要完成以下工作：

（1）將從base band接收到的16位的并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為RF所能接收的串行數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)根據(jù)SPI協(xié)議送給RF。

（2）產(chǎn)生RF所需的時(shí)鐘信號(hào)SCLK，使能信號(hào)CSB。

（3）接收從RF傳回的串行數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。

（4）將base band發(fā)送的數(shù)據(jù)，與RF返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并把比較結(jié)果傳給base band。

下面給出用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)前兩項(xiàng)功能的關(guān)鍵程序，相關(guān)變量的聲明在此略去。

//generate a counter

always@ （posedge clock or negedge reset）

begin

if（！reset）

counter《= 0;

else if（enable）

begin

if（counter《 53）

counter=counter + 1;

end

end

//generate signal “csb”

always@ （posedge clock or negedge reset）

begin

if（！reset）

csb 《=1;

else if（counter》= 1 && counter 《= 50）

csb = 0;

else

csb = 1;

end

//Generate “sclk”

always@ （posedge clock or negedge reset）

begin

case（counter）

6‘d02： sclk = 1;

6’d05： sclk = 1;

6‘d08： sclk = 1;

6’d11： sclk = 1;

6‘d14： sclk = 1;

6’d17： sclk = 1;

6‘d20： sclk = 1;

6’d23： sclk = 1;

6‘d26： sclk = 1;

6’d29： sclk = 1;

6‘d32： sclk = 1;

6’d35： sclk = 1;

6‘d38： sclk = 1;

6’d41： sclk = 1;

6‘d44： sclk = 1;

6’d47： sclk = 1;

default sclk = 0;

endcase

end

always@ （counter or csb）

begin

if（csb == 0）

case（counter）

6‘h00，

6’h01，

6‘h02，

6’h03:mosi_index = 5‘h00;

6’h04，

6‘h05，

6’h06:mosi_index = 5‘h01;

6’h07，

6‘h08，

6’h09:mosi_index = 5‘h02;

6’h0A，

6‘h0B，

6’h0C:mosi_index = 5‘h03;

6’h0D，

6‘h0E，

6’h0F:mosi_index = 5‘h04;

6’h10，

6‘h11，

6’h12:mosi_index = 5‘h05;

6’h13，

6‘h14，

6’h15:mosi_index = 5‘h06;

6’h16，

6‘h17，

6’h18:mosi_index = 5‘h07;

6’h19，

6‘h1A，

6’h1B:mosi_index = 5‘h08;

6’h1C，

6‘h1D，

6’hlE:mosi_index = 5‘h09;

6’h1F，

6‘h20，

6’h21:mosi_index = 5‘h0A ;

6’h22，

6‘h23，

6’h24:mosi_index = 5‘h0B;

6’h25，

6‘h26，

6’h27:mosi_index = 5‘h0C ;

6’h28，

6‘h29，

6’h2A:mosi_index = 5‘h0D ;

6’h2B，

6‘h2C，

6’h2D:mosi_index = 5‘h0E;

6’h2E，

6‘h2F，

6’h30:mosi_index = 5‘h0F;

default:mosi_index = 5’h00;

endcase

else

mosi_index = 5‘h00：

end

assign mosi=spi_data［mosi_index3］;

用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)的SPI總線接口模塊，在ModelSim 中編譯、調(diào)試，并做了前仿真。

前仿真通過(guò)后，又在Altera公司的EPXA10 Develop Board上做了FPGA驗(yàn)證，結(jié)果與在ModelSim 中的仿真結(jié)果一致。最后在base band與RF的聯(lián)合調(diào)試過(guò)程中，該SPI總線接口模塊達(dá)到了預(yù)期的要求。

編輯：jq