D2--FPGA SPI接口通信2022-08-03 _通信

1.SPI简介
SPI是串行外设接口（）的缩写，通常说SPI接口或SPI协议都是指SPI这一种串行外设接口规范。相对于串口，SPI是一种高速的（可达10Mb\s以上），全双工，同步的通信总线。串口是点对点的全双工的异步通信，因此要通信双方按照相同的约定（指起始、暂停位、波特率）才能在数据上同步，准确通信。而SPI是一种同步通信的总线结构，同步是指有专门时钟线用来同步源端和目的端，总线结构是指主从之分，通常是一个设备做主，可以多个设备做从，也正因为如此才有了CS片选线，指定所选从设备。
而在实际的应用中，通常也只是一主一从。SPI接口多应用于Flash、ADC、LCD控制器，CMOS寄存器配置接口等场景。SPI在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。
2.时序
SPI有四根线，如下，
（1）MISO–Input Slave ，主设备数据输入，从设备数据输出；

文章插图
（2）MOSI–Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
（3）SCLK –Clock，时钟信号，由主设备产生；
（4）CS – Chip ，从设备使能信号，由主设备控制。
SPI有四种数据传输的时序模式，这是有设备的属性的决定的，用CPOL和CPHA表示这四种时序。CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL=0（1），空闲电平为低电平（高电平）；CPHA是用来决定采样时刻的，CPHA=0，在每个周期的第一个时钟沿采样，CPHA=1，则在每个周期的第二个时钟沿采样。通常使用的是MODE0模式，即CPOL=CPHA=0，空闲时为低电平，在第一个时钟沿采样。其他几种模式如果需要可以上网搜索，资料很多。
使用SPI接口时需要注意，很多SPI接口的芯片并不是标准的SPI协议，可能是稍有变化，例如对哪个沿采样会有明确的说明。此外，还有一种可能是在SPI协议的基础上进一步做限制，例如要求一次读写过程结束后CS必须拉高等。SPI要求是高位在前，MSB的方式。还有就是SPI一个时钟周期必然要执行接收一位数据和发送一位数据。
3.Dual、Qual模式
上面描述的就是标准SPI，有4根引脚信号：clk , cs, mosi, miso 。针对SPI Flash而言，有Dual SPI和Qual SPI两种模式，这是因为，Flash器件的全双工并不常用，因此扩展mosi和miso的用法，让它们工作在半双工，用以加倍数据传输。也就是对于Dual SPI Flash，可以发送一个命令字节进入dual mode，这样mosi变成SIO0（ io 0），mosi变成SIO1（ io 1）,这样一个时钟周期内就能传输2个bit数据，加倍了数据传输。与Dual SPI类似，Qual SPI Flash增加了两根I/O线（SIO2,SIO3），目的是一个时钟内传输4个bit 。
4.例程设计与代码解读
如图所示，把模块的输入输出分成两个部分，一个部分为图示左侧的与其他模块交互的接口，另一部分为图示右侧与物理管脚相连。信号为外部的脉冲信号，收到该脉冲执行一次8Bit的发送动作，和8Bit的接收动作。通过VIO产生信号和要发送的数据信号data[7:0]，将板卡上的mosi和miso管脚相连，判断发送数据和接收数据是否一致，若一致则点亮led 。由于缺乏带SPI设备的板卡，故设计此例程。一次发送动作结束后会产生的脉冲信号，在发送动作执行过程中，持续为拉高状态。另外，作为同步时钟直接决定传输数据的速度，通常在10Mb/s以下，或者依据对端设备来指定。
在使用SPI设备时可以修改此驱动模块以满足需求，左侧信号与外部设备交互，当busy拉高的时候不允许发送信号；可以对data信号采用多路选择器，以完成某些固定的指令或者读写操作；同样，数据的位宽也可以扩展。另外，实际使用的时候应该使用cs管脚，按照相关设备的要求灵活运用该管脚。