全功能SPI接口的设计与实现

摘要：SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围接口)是Motorola公司提出的外围接口协议，它采用一个串行、同步、全双工的通信方式，解决了微处理器和外设之间的串行通信问题，并且可以和多个外设直接通信，具有配置灵活，结构简单等优点。根据全功能SPI总线的特点，设计的SPI接口可以最大发送和接收16位数据；在主模式和从模式下SPI模块的时钟频率最大可以达到系统时钟的1／4，并且在主模式下可以提供具有四种不同相位和极性的时钟供从模块选择；可以同时进行发送和接收操作，拥有中断标志位和溢出中断标志位。
关键词：全功能SPI；时钟极性和相位；串行通信；微处理器；中断控制

    SPI串行通信接口是一种常用的标准接口，由于其使用简单方便且节省系统资源，很多芯片都支持该接口，应用相当广泛。但是现有文献和设计多数仅实现了SPI接口的基本发送和接收功能，对SPI接口的时序控制没有进行深入的研究。全功能SPI接口应具有四种不同的时钟模式，以适应具有不同时序要求的从控制器。文中主要研究SPI接口的时钟时序，并用具体电路实现具有4种不同极性和相位的时钟，最后通过仿真验证和FPGA验证。

1 SPI控制器典型结构
    SPI模块中的典型结构是用于通信的主从2个控制器之间的连接，如图1所示。由串行时钟线(SPICLK)、主机输入从机输出线(SPISOMI)、主机输出从机输入线(SPISIMO)、SPl选通线(SPSTE)4条线组成。当CPU通过译码向主控制器写入要传输的数据时，主控制器通过串行时钟线来启动数据传输，将会在串行时钟线的一个边沿将数据移出移位寄存器，而在串行时钟的另一个边沿将数据锁存在移位寄存器中。SPI选通线是SPI控制器的使能端，可以选择多个从机，实现一主多从的结构，只要SPI选通信号将要选的从机处的选通信号变为低电平就能够连接成功。

2 全功能SPI控制器设计
2．1 SPI控制器内部结构
    SPI控制器的原理框图如图2所示，其中主要包括：

    1)SPI控制器的内部寄存器
    SPI操作控制寄存器(SPICTL)，SPI状态寄存器(SPISTS)，SPI波特率设计寄存器(SPIBRR)，SPI接收缓冲寄存器(SPIRXBUF)，SPI发送缓冲寄存器(SPITXBUF)，SPI串行数据寄存器(SPIDAT)，SPI中断优先级控制寄存器(SPIPRI)。
    2)SPI控制器内的功能模块
    时钟分频模块(Frequency Divider)，内部时钟产生电路(Clk_Occur)，状态控制机(Srate Control)，中断控制(IntContro1)，测试模块(Test)，输出控制模块(Dateout Control)。
2．2 SPI控制器工作原理
    图2给出了SPI控制器的基本原理框图。SPI控制器可工作在主模式和从模式下，由于在主模式下需要提供相应的时钟给从控制器，较从模式下工作更为复杂，所以将用工作在主模式下的SPI控制器描述内部工作原理。
    在开始传送数据前，需将SPI控制器进行配置，设定时钟波特率(SPIBPR)，时钟相位和极性，需要传送的字符位数(SPICCR)。基本配置结束后，向SPITXBUF和SPIDAT2个寄存器内写入要传送的数据时，将会起动一次发送和接收操作。如果有正在传送的数据，向SPITXBUF内写入数据，新的数据将在当前数据传送结束后自动进行发送和接收操作。
    写入SPICRR寄存器里的Char0～Char3位将会配置SPI状态控制模块里的计数器。状态控制是系统的核心部分，为了使系统结构化，设计了状态机，如图3所示，分为3种状态，分别是空闲状态、发送命令状态(配置SPI各个寄存器)、数据状态。其中数据状态包括数据的传送和读取。

    作为全功能SPI接口，在设计时加入了测试模块。使能相关地址译码，将使系统内部关键节点通过输出控制模块传送到数据总线。
2．3 全功能SPI控制器的时钟设计
    SPI控制器为了和外部数据进行交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和时钟相位可以进行匹配。但时钟极性对传输协议没有重大影响。如图4所示，全功能SPI控制器包括4种不同的时钟模式：

    无延时的上升沿：SPI在SPICLK信号上升沿发送数据，在SPICLK信号下降沿接收数据；
    无延时的下降沿：SPI在SPICLK信号下降沿发送数据，在SPICLK信号上升沿接收数据；
    有延时的上升沿：SPI在SPICLK信号上升沿之前的半个周期发送数据，在SPICLK信号下降沿接收数据；
    有延时的下降沿：SPI在SPICLK信号下降沿之前的半个周期发送数据，在SPICLK信号上升沿接收数据；
    对于SPI控制器内部时钟的产生，在对系统时钟进行分频之后，还要对生成的时钟进行一定处理，因为分频后的时钟其高电平时间是几个系统时钟周期的和，控制移位寄存器的时钟采用的是系统时钟，为了在SPICLK的一个时钟周期内只移位一位数据，必须要求内部时钟的高电平时间为一个系统时钟的周期，才能保证在SPICLK的一个时钟周期内，只有一位数据的接收和发送。

    图5为实现上述功能的具体电路，即SPI控制器时钟产生的电路结构。在图5中，分频后的时钟为DICLK，作为与门的一个输入端进入模块后对其进行处理。节点Y1和Y2的输出方程为：
   
    分频时钟DICLK通过节点Y1和Y2后，其高电平时间仅为一个系统时钟周期，且Y1较Y2延迟半个周期。MUX1的选择端S来自配置寄存器的Phase端，选择有延迟的Y1还是无延迟的Y2通过。分频后的时钟将被用于两个用途，一是产生SPICLK作为从控制器的输入时钟。二是作为主控制器的内部时钟，被用于计数器的计数脉冲和用于控制串行移位寄存器SPIDAT。
    当分频时钟用于产生SPICLK时，异或门XOR1的一个输入端来自配置寄存器的Polarity端，用于控制时钟极性。节点Y3作为D触发器MTN1的输出端，输出方程为：
   
    S0为0，D触发器上升沿触发。S0为1，D触发器保持原状态。通过MTN1后的分频时钟，其高电平时间和低电平时间相等或相差一个系统时钟周期，这个时钟即为主模式下产生的SPICLK，通过Phase和Polarity端的选择将会有四种不同时钟模式。
    当分频时钟用于产生SPI控制器的内部时钟时，MUX2的选择端S来自配置寄存器的主／从模式选择端，选择内部时钟还是外部时钟通过。输出端LANCLK用于SPI控制器的数据输入／输出锁存时钟。其方程为：
   
    这里的DICLKn为通过MUX2后的分频时钟。由于时钟极性对传输协议没有影响，所以上式将使四种时钟模式转变成2种，即上升沿无延迟和下降沿有延迟，而后在用于控制数据的输入／输出锁存。通过节点Y2的分频时钟经过控制逻辑传送到输出端CNTCLK和DATCLK，这两个时钟分别用于SPI控制器内部计数器的计数时钟和移位寄存器的控制时钟。
    以上分析均是在SPI控制器工作在主模式的情况，当SPI控制器工作在从模式时，外部时钟来自与门AND1的一个输入，通过控制逻辑分别到达CNTCLK和DATCLK端。
    在时钟生成模块里同时具有相应控制功能：Reset引脚，模块的复位端，低有效。SPISTE引脚，SPI控制器的使能端，低有效。Susp_free和Susp_soft引脚，决定了当仿真器突然中断时SPI模块将采取何种动作，在时钟生成模块里，Susp_free和Susp_soft被置为00时，将关断SPI CLK，使正在传送的数据立即停止。

3 SPI控制器的仿真实现
    SPI控制器的仿真使用Mentor公司的ModelSim软件，该软件可在windows，Linux平台上使用，支持VHDL或Verilog硬件描述语言(HDL)仿真。它支持所有器件的行为级仿真、VHDL或Verilog仿真激励。为了测试设计的正确性，编写了testbench模块，包括产生时钟信号，控制寄存器的配置，收发的数据，产生的中断等。
3．1 SPI控制器时钟仿真验证
    当SPI工作在主模式下，全功能SPI控制器根据从控制器的时序要求会提供具有4种不同极性和相位的时钟。图6为SPI控制器内部时钟生产模块的仿真验证，输入DICLK为分频后时钟，其对系统时钟进行了14分频。时钟生产模块对DICLK进行处理，产生LANCLK，CNTCLK，DATCLK和4种不同极性和相位的SPICLK。

3．2 SPI控制器工作在主模式下的验证测试
    通过配置寄存器选择SPI工作在主模式，此时主SPI通过引脚SPICLK提供整个串行网络的串行时钟。SPI波特率寄存器决定发送和接收的传输速率。发送数据时，主控制器先发送SPICLK信号，然后向SPIDAT和SPITXBUF寄存器写入数据C00F和8FF，写入这两个寄存器都可以启动SPISIMO引脚上的数据发送(先发送最高有效位)。同时从控制器通过引脚SPISIMO将接收到的数据移入SPIDAT的最低位，当选定量的位发送完时，整个数据发送完毕，数据按照右对齐的格式存入SPIRXBUF中，以备系统读取(一般为cpu)，同时中断标志位被置为1，当系统发出指令，读取存在SPITXBUF的数据时，SPI中断标志位被清零，仿真结果如图7所示。

4 结束语
    文中提出了一种全功能硬件SPI接口设计方法，实现了4种具有不同极性和相位的时钟，它吸取了传统软硬件的优点，具有速度快、结构简单的特点，并已通过功能仿真和FPGA验证，结果证明本设计是可靠的，可直接用于FPGA中或者作为硬件电路嵌入具体芯片内。