【教程分享】FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)：SPI 協(xié)議驅(qū)動設(shè)計

本系列將帶來FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開始，最詳細(xì)操作步驟，最直白的言語描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業(yè)學(xué)生、初入職場小白及打算進(jìn)階提升的職業(yè)開發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的機(jī)會。

系統(tǒng)性的掌握技術(shù)開發(fā)以及相關(guān)要求，對個人就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展都有著潛在的幫助，希望對大家有所幫助。后續(xù)會陸續(xù)更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相關(guān)操作軟件的開發(fā)的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)FPGA設(shè)計方法及設(shè)計思想的同時，實操結(jié)合各類操作軟件，會讓你在技術(shù)學(xué)習(xí)道路上無比的順暢，告別技術(shù)學(xué)習(xí)小BUG卡破腦殼，告別目前忽悠性的培訓(xùn)誘導(dǎo)，真正的去學(xué)習(xí)去實戰(zhàn)應(yīng)用。話不多說，上貨。

本篇實現(xiàn)基于叁芯智能科技的SANXIN -B01 FPGA開發(fā)板，以下為配套的教程，如有入手開發(fā)板，可以登錄官方淘寶店購買，還有配套的學(xué)習(xí)視頻。SANXIN-B01 Verilog教程-郝旭帥團(tuán)隊

SPI是串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface)的縮寫。SPI，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，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，如今越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議。

SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，中間靠三線或者四線連接（三線時為單向傳輸或者數(shù)據(jù)線雙向傳輸）。所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是MISO、MOSI、SCLK、CS。

MISO– Master Input Slave Output,主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。

MOSI– Master Output Slave Input,主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入。

SCLK – Serial Clock,時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生。

CS – Chip Select,從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制。

cs是從芯片是否被主芯片選中的控制信號，也就是說只有片選信號為預(yù)先規(guī)定的使能信號時(高電位或低電位)，主芯片對此從芯片的操作才有效。這就使在同一條總線上連接多個spi設(shè)備成為可能。

通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，由sclk提供時鐘脈沖，mosi、miso則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 mosi線，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。因此，至少需要N次時鐘信號的改變(上沿和下沿為一次)，才能完成N位數(shù)據(jù)的傳輸。

spi通信有四種不同的模式，不同的從設(shè)備可能在出廠時就已經(jīng)配置為某種模式。通信的雙方必須是工作在同一模式下，所以我們可以對主設(shè)備的spi模式進(jìn)行配置，通過CPOL（時鐘極性）和CPHA（時鐘相位）來控制我們主設(shè)備的通信模式。

mode0：CPOL=0，CPHA=0；

mode1：CPOL=0，CPHA=1；

mode2：CPOL=1，CPHA=0；

mode3：CPOL=1，CPHA=1；

時鐘極性CPOL是用來配置SCLK在空閑時，應(yīng)該處于的狀態(tài)；時鐘相位CPHA用來配置在第幾個邊沿進(jìn)行采樣。

CPOL=0，表示在空閑狀態(tài)時，時鐘SCLK為低電平。

CPOL=1，表示在空閑狀態(tài)時，時鐘SCLK為高電平。

CPHA=0，表示數(shù)據(jù)采樣是在第1個邊沿。

CPHA=1，表示數(shù)據(jù)采樣是在第2個邊沿。

即：

CPOL=0，CPHA=0：此時空閑態(tài)時，SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)采樣是在第1個邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在上升沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

CPOL=0，CPHA=1：此時空閑態(tài)時，SCLK處于低電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第1個邊沿，也就是SCLK由低電平到高電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采樣是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=0：此時空閑態(tài)時，SCLK處于高電平，數(shù)據(jù)采集是在第1個邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在下降沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=1：此時空閑態(tài)時，SCLK處于高電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在第1個邊沿，也就是SCLK由高電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在上升沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。

硬件簡介

FLASH閃存 的英文名稱是"Flash Memory"，一般簡稱為"Flash"，它屬于內(nèi)存器件的一種，是一種非易失性( Non-Volatile )內(nèi)存。

在開發(fā)板上有一塊flash（M25P16），用來保存FPGA的硬件配置信息，也可以用來存儲用戶的應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)。

M25P16是一款帶有寫保護(hù)機(jī)制和高速SPI總線訪問的2M字節(jié)串行Flash存儲器，該存儲器主要特點：2M字節(jié)的存儲空間，分32個扇區(qū)，每個扇區(qū)256頁，每頁256字節(jié)；能單個扇區(qū)擦除和整片擦除；每扇區(qū)擦寫次數(shù)保證10萬次、數(shù)據(jù)保存期限至少20年。

C（serial clock：串行時鐘）為D和Q提供了數(shù)據(jù)輸入或者輸出的時序。D的數(shù)據(jù)總是在C的上升沿被采樣。Q的數(shù)據(jù) 在C的下降沿被輸出。

ˉS（Chip Select：芯片選擇端），當(dāng)輸入為低時，該芯片被選中，可以允許進(jìn)行讀寫操作。當(dāng)輸入為高時，該芯片被釋放，不能夠進(jìn)行操作。

對于H——o——l——d——和W——， 為保持功能和硬件寫保護(hù)功能，在本設(shè)計中不使用此管腳，在硬件設(shè)計時，這兩個管腳全部被拉高了，即全部失效。

flash采用spi的通信協(xié)議，flash當(dāng)做從機(jī)。serial clcok等效于spi中的sclk，chip select等效于spi中的cs，D等效于spi中的mosi，Q等效于spi中的miso。

flash可以支持mode0和mode3，這兩種模式中，都是在時鐘的上升沿采樣，在時鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)。

flash的每一頁都可以被寫入，但是寫入只能是把1改變?yōu)?。擦除可以把0改變?yōu)?。所以在正常寫入數(shù)據(jù)之前，都要將flash進(jìn)行擦除。

flash的命令表如下：

下面介紹幾個常用的命令

RDID（Read Identification ：讀ID）：發(fā)送命令RDID（9F），然后接收第1個字節(jié)的memory type（20H），第二個字節(jié)的memory capacity（15H）。后續(xù)的字節(jié)暫不關(guān)心。

WREN（Write Enable ：寫使能）：在任何寫或者擦除的命令之前，都必須首先打開寫使能。打開寫使能為發(fā)送命令WREN（06h）。

RDSR（Read Status Register：讀狀態(tài)寄存器）：發(fā)送命令RDSR（05h），然后返回一個字節(jié)的狀態(tài)值。

狀態(tài)寄存器的格式如下：

WIP（Write In Progress bit）表示flash內(nèi)部是否正在進(jìn)行內(nèi)部操作，寫和擦除都會導(dǎo)致flash內(nèi)部進(jìn)行一段時間的工作，在內(nèi)部工作期間，外部的命令會被忽略，所以在進(jìn)行任何命令之前，都需要查看flash內(nèi)部是否正在工作。WIP為1時，表示flash內(nèi)部正在工作；WIP為0時，表示flash內(nèi)部沒有在工作。

READ（Read DATA Bytes：讀數(shù)據(jù)）：發(fā)送命令READ（03H），后續(xù)發(fā)送3個字節(jié)的地址，然后就可以接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部的地址會不斷遞增。一個讀命令就可以把整個flash全部讀完。

PP（Page Program ：頁編寫）：發(fā)送命令PP（02H），接著發(fā)送3個字節(jié)的地址，然后發(fā)送數(shù)據(jù)即可。切記所寫的數(shù)據(jù)不能超過本頁的地址范圍。

SE（Sector Erase ：扇區(qū)擦除）：發(fā)送命令SE（D8H），接著發(fā)送3個字節(jié)的地址。

BE（Bulk Erase：整片擦除）：發(fā)送命令BE（C7H）。

關(guān)于flash的其他的介紹，可以參考03_芯片手冊->FLASH->M25P16.pdf。

設(shè)計要求

設(shè)計flash（M25P16）控制器。

設(shè)計分析

根據(jù)M25P16的數(shù)據(jù)手冊得知，其接口為spi接口，且支持模式0和模式3，本設(shè)計中選擇模式0。

輸入時序圖如下：

輸出時序如下：

時序圖中所對應(yīng)的符號說明：

根據(jù)輸入和輸出的時序圖以及參數(shù)表，將SPI的時鐘的頻率定為10MHz。

在設(shè)計中，F(xiàn)PGA作為主機(jī)，M25P16作為從機(jī)。

架構(gòu)設(shè)計和信號說明

此模塊命名為m25p16_drive。

二級模塊（分模塊）（第一頁）

二級模塊（分模塊）（第二頁）

設(shè)計中，各個命令單獨寫出控制器，通過多路選擇器選擇出對應(yīng)的命令，然后控制spi_8bit_drive將數(shù)據(jù)按照spi的協(xié)議發(fā)送出去。各個命令的脈沖通過ctrl模塊進(jìn)行控制各個命令控制器，寫入的數(shù)據(jù)首先寫入到寫緩沖區(qū)，讀出的數(shù)據(jù)讀出后寫入到讀緩沖區(qū)。

暫不分配的端口，在應(yīng)用時都是由上游模塊進(jìn)行控制，本設(shè)計測試時，編寫上游模塊進(jìn)行測試。

各個模塊的功能，和連接線的功能在各個模塊設(shè)計中說明。

spi_8bit_drive設(shè)計實現(xiàn)

本模塊負(fù)責(zé)將8bit的并行數(shù)據(jù)按照spi協(xié)議發(fā)送出去，以及負(fù)責(zé)按照spi協(xié)議接收數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)（8bit）并行傳輸給各個模塊。

spi_send_en為發(fā)送數(shù)據(jù)使能信號（脈沖信號），spi_send_data為所要發(fā)送數(shù)據(jù)，spi_send_done為發(fā)送完成信號（脈沖信號）。

spi_read_en為接收數(shù)據(jù)使能信號（脈沖信號），spi_read_data為所接收的數(shù)據(jù)，spi_read_done為接收完成信號（脈沖信號）。

在發(fā)送邏輯控制中，全部的信號采用下降沿驅(qū)動。利用外部給予的spi_send_en作為啟動信號，啟動send_cnt。send_cnt在不發(fā)送數(shù)據(jù)時為8，發(fā)送數(shù)據(jù)時，從0到7。

在接收邏輯中，全部的信號采用上升沿驅(qū)動。利用外部給予的spi_read_en作為啟動信號，啟動rec_en，經(jīng)過移位接收數(shù)據(jù)。

在spi_sclk輸出時，采用組合邏輯。由于設(shè)計采用spi的模式0，故而spi_sclk不發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)時為0，接收數(shù)據(jù)時為時鐘信號。因為要求為模式0，所以在接收數(shù)據(jù)時，spi_sclk的輸出不能夠先有下降沿，即要求spi_sclk的控制信號不能由上升沿信號驅(qū)動，所以將rec_en同步到下降沿的rec_en_n。

仿真代碼為：

在仿真中，將時鐘設(shè)置為10MHz。

所有的信號采用上升沿驅(qū)動。發(fā)送一個8bit的隨機(jī)數(shù)值，接收一個8bit的隨機(jī)數(shù)值。

spi_miso信號為從機(jī)下降沿驅(qū)動信號。

通過RTL仿真，可以看出發(fā)送和接收全部正常。

mux7_1設(shè)計實現(xiàn)

本模塊負(fù)責(zé)將7個命令模塊發(fā)出的命令（寫使能、寫數(shù)據(jù)和讀使能）經(jīng)過選擇發(fā)送給spi_8bit_drive模塊。

在設(shè)計中，有的命令模塊不需要進(jìn)行讀取（pp和se等等），此時將輸出的讀使能信號輸出為低電平。

be設(shè)計實現(xiàn)

該模塊接收到be_en（整片擦除的脈沖信號）信號后，發(fā)送對應(yīng)的使能和數(shù)據(jù)，等待發(fā)送完成脈沖。發(fā)送完成后，輸出擦除完成的脈沖。

整片擦除的命令為8’hc7。

wren設(shè)計實現(xiàn)

該模塊接收到wren_en（打開flash內(nèi)部的寫使能的脈沖信號）信號后，發(fā)送對應(yīng)的使能和數(shù)據(jù)，等待發(fā)送完成脈沖。發(fā)送完成后，輸出擦除完成的脈沖。

打開flash內(nèi)部寫使能的命令碼為8’h06。

se設(shè)計實現(xiàn)

該模塊接收到se_en（擦除扇區(qū)的寫使能的脈沖信號）信號后，發(fā)送對應(yīng)的使能和數(shù)據(jù)，等待發(fā)送完成脈沖。發(fā)送完成后，接著發(fā)送高八位地址，中間八位地址和低八位地址。全部發(fā)送完成后，發(fā)送se_done信號。

該模塊采用狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)。SE_STATE（扇區(qū)擦除命令發(fā)送）、H_ADDR（高八位地址發(fā)送）、M_ADDR（中間八位地址發(fā)送）、L_ADDR（低八位地址發(fā)送）、SE_DONE（扇區(qū)擦除完成）。所有的脈沖信號在未標(biāo)注的時刻，輸出全部為0。

設(shè)計代碼為：

在發(fā)送過程中，由于是每8bit發(fā)送一次，所以在時序上將看到發(fā)送時，每8個脈沖一組，中間會有明顯的間隔。

pp設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)將外部寫fifo中的數(shù)據(jù)寫入到flash中。wr_fifo_rd為寫fifo的讀使能信號，wrdata為從寫fifo中讀出的數(shù)據(jù)，wr_len為需要寫入flash中數(shù)據(jù)的長度，wr_addr為寫入地址。

該模塊采用狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)。PP_STATE（發(fā)送pp命令），H_ADDR（發(fā)送高八位地址）、M_ADDR（發(fā)送中間八位地址），L_ADDR（發(fā)送低八位地址）、RDFIFO（讀寫fifo）、FIFO_WAIT（等待讀寫fifo的數(shù)據(jù)輸出）、SEND（發(fā)送8bit數(shù)據(jù)）、SEND_WAIT（發(fā)送等待，發(fā)送完成后判斷是否發(fā)送完成）。對于所有的脈沖信號，沒有賦值的位置，全部賦值為0。

cnt為記錄已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)。

設(shè)計代碼為：

rdsr設(shè)計實現(xiàn)

本模塊的功能為讀取m25p16的狀態(tài)寄存器，主要檢測狀態(tài)寄存器的最低位（WIP）。

WIP（write in progress ：正在進(jìn)行寫進(jìn)程），該bie位表示了flash內(nèi)部是否在進(jìn)行寫進(jìn)程。如果處于寫進(jìn)程時，flash忽略外部所有的命令，所以建議在執(zhí)行任何命令前，首先進(jìn)行檢測該位。1表示正在寫進(jìn)程中，0表示不處于寫進(jìn)程。

如果檢測到正在寫進(jìn)程中，進(jìn)行延遲1ms，然后再次讀取該位狀態(tài)。直到寫進(jìn)程結(jié)束。

本模塊采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計實現(xiàn)。ILDE（發(fā)送讀狀態(tài)寄存器命令）、RDSRSTATE（發(fā)送讀使能）、WIP（判斷wip位）、 DELAY1ms（延遲1ms）。cnt為延遲1ms的計數(shù)器。

設(shè)計代碼為：

rdid設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)讀取flash的ID（2015），驗證ID的正確性。

該模塊采用狀態(tài)機(jī)的方式實現(xiàn)。IDLE（等待讀取ID的命令）、IDSTATE1（讀取高八位ID）、IDSTATE2（讀取中間八位ID）、IDSTATE3（讀取低八位ID）、ID_CHECK（檢測ID的正確性）。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

設(shè)計代碼為：

read_ctrl設(shè)計實現(xiàn)

該模塊負(fù)責(zé)將flash的數(shù)據(jù)讀出，寫入到輸出緩存中。

該模塊采用狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)。RD_STATE（等待讀命令）、H_ADDR（發(fā)送高八位地址）、M_ADDR（發(fā)送中間八位地址）、L_ADDR（發(fā)送低八位地址）、RDDATA（讀取數(shù)據(jù)）、WRFIFO（將讀出的數(shù)據(jù)寫入到FIFO中）、CHECK_LEN（判斷讀取的長度）。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

設(shè)計代碼為：

wr_fifo和rd_fifo調(diào)用

兩個fifo的寬度設(shè)置為8，深度設(shè)置為256，同步fifo，帶有復(fù)位。

ctrl設(shè)計實現(xiàn)

該模塊根據(jù)外部的命令，按照m25p16的執(zhí)行規(guī)則，進(jìn)行控制各個模塊的執(zhí)行。

該模塊采用狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)。INIT_RDSR（讀WIP），INIT_RDID（讀ID），INIT_ID（判斷ID），WIP（讀WIP），WIP_DONE（等待WIP），IDLE（空閑狀態(tài)），**STATE（執(zhí)行對應(yīng)的命令），**WREN（打開flash的寫使能）。在進(jìn)行任何命令前，都檢查wip。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

在不同的狀態(tài)，mux_sel選擇對應(yīng)的命令通過。

drive_busy只有在IDLE狀態(tài)才是低電平。

spi_cs_n信號， DLE狀態(tài)為高電平、WIP_DONE（INIT_RDID）中spi_read_done信號為高時 （保證能夠多次讀取狀態(tài)寄存器）、在其他狀態(tài)發(fā)生切換時，spi_cs_n 為高電平，否則為低電平。

設(shè)計代碼為：

m25p16_drive設(shè)計實現(xiàn)

本模塊負(fù)責(zé)連接所有二級模塊，實現(xiàn)所有的功能。

RTL仿真

本次設(shè)計涉及到讀取flash的id以及狀態(tài)寄存器，所以在仿真時需要加入仿真模型。仿真模型放在msim的m25p16_sim_module中。m25p16為仿真模型的頂層文件。

由于讀寫和擦除的時間較長，RTL仿真中，將只仿真RDSR和RDID，其他的功能測試在板級測試時進(jìn)行。

仿真代碼如下：

在設(shè)置testbench時，注意將所有文件全部添加到文件中。

選擇testbench時，注意選中設(shè)置的m25p16_drive_tb。

利用modelsim仿真，可以得出如下RTL仿真波形。

讀到ID，以及檢測WIP都是正確的。

板級測試

由于m25p16的時序原因，整個設(shè)計工作在10MHz（利用PLL產(chǎn)生）。

在進(jìn)行測試控制時，對最后一個扇區(qū)進(jìn)行擦除；對最后一個扇區(qū)的第一頁進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)100個（1至100）；對最后一個扇區(qū)的第一個進(jìn)行讀取，驗證數(shù)據(jù)是否為1至100。

測試的控制模塊命名為test_ctrl。

此模塊采用狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)。WRFIFO（將1至100寫入wrfifo中）、SE（扇區(qū)擦除）、PP（寫入flash）、RD（讀出flash）、WAIT_RD（等待讀?。?、CHECK（ 檢測讀出的數(shù)據(jù)的正確性）。

設(shè)計代碼為：

將test模塊設(shè)置為頂層。在test模塊中，m25p16_drive例化中，對于整片擦除不做控制，對于addr直接指向最后一個扇區(qū)的第一頁，len指定為100。

代碼為：

由于開發(fā)板上的flash是為FPGA進(jìn)行保存配置信息的，所以管腳都連接在專用管腳上，本次實驗需要將這專用管腳配置為普通io。

右擊器件型號，選擇device。

點擊device and pin options。

選擇Dual-purpose pins，將其中所有的功能改為普通IO。

點擊ok后，即可進(jìn)行綜合分析。

連接開發(fā)板和PC，打開邏輯分析儀。

采樣時鐘選擇10MHz（PLL 的c0），采樣深度設(shè)置為2K。

觀測信號如下圖所示。

首先將wrfifo_wr的觸發(fā)條件設(shè)置為上升沿。點擊觸發(fā)后，按下復(fù)位按鍵。觸發(fā)后，可以看到寫入數(shù)據(jù)1至100后，然后進(jìn)行SE命令。

將rdfifo_rd的觸發(fā)條件設(shè)置為上升沿（將wrfifo_wr觸發(fā)條件修改為donot care）。點擊觸發(fā)后，按下復(fù)位按鍵。

通過仿真和下板實測，驗證控制器設(shè)計正確。