由於SPI係統總線一共隻需3～4位數據線和控製線即可實現與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進行接口，而擴展並行總線則需要8根數據線
、8—16位地址線、2～3位控製線
，因此
，采用SPI總線接口可以簡化電路設計
，節省很多常規電路中的接口器件和I/0口線，提高設計的可靠性
，使用 SPI總線可以增加應用係統接口器件的種類
，提高應用係統的性能。

 

 

通過深入分析SPI的de四si種zhong傳chuan輸shu協xie議yi可ke以yi發fa現xian

，根gen據ju一yi種zhong協xie議yi，隻zhi要yao對dui串chuan行xing同tong步bu時shi鍾zhong進jin行xing轉zhuan換huan，就jiu能neng得de到dao其qi餘yu的de三san種zhong協xie議yi。為wei了le簡jian化hua設she計ji，規gui定ding如ru果guo要yao連lian續xu傳chuan輸shu多duo個ge數shu據ju，在zai兩liang個ge數shu據ju傳chuan輸shu之zhi問wen插cha入ru一yi個ge串chuan行xing時shi鍾zhong的de空kong閑xian等deng待dai，這zhe樣yang狀zhuang態tai機ji隻zhi需xu兩liang種zhong狀zhuang態tai(空閑和工作)就能正確工作。相比其它設計，在基本不降低性能的前提下，思路比較精煉
、清晰，能夠大大縮短寫代碼的時間
，降低出錯率。
 

此SPI模塊有兩種工作方式：查詢方式和DMA方式。查詢方式通過處理器核監視SPI的狀態寄存器來獲取其所處的狀態

，從而決定下一步動作。DMA方式由DMA模塊控製數據在內存和SPI間的交換
，而不需要處理器核的參與

，有效提高了總線利用率。
 

外部MCU可以通過和內部MCU通訊的方式
，把從模式的SPI配置成可以解析命令的模式，這樣外部主模式的SPI可以在SSN低電平的時候連續傳輸多位數據

，在下降沿的第一個數據被認為是命令。從模式的SPI可以解析這些命令然後做相應的操作。這些操作主要包括
，清除接收FIFO或者發送 FIFO中的數據，選擇MCU或者DMA來作為數據交互的對象等，可以大大節省和MCU交互所需要的帶寬。

 

作為主要組成部分的寄存器控製模塊和SPI核心模塊采用同步電路設計，它們之間的通訊采用異步電路設計。這些主要是考慮到SPI的帶寬通過MCU的控製是可調的。SPI核心部分的時鍾頻率可調
，可實現多種帶寬，增加了本設計SPI的靈活性。

 

 

在本設計中，內部總線接口采用的是AMBA總線3.0協議，具有較好的可移植性和可複用性。SPI是APB總線上的Slave模塊。APB總線的時序完全遵照(ABMA Specification)(Rev 3.0)。因此此SPI模塊支持3種DMA操作，除了標準信號線外
，還有3根與DMA模塊連接的中斷請求信號線。

 

 

SPI串行接口使用4條線可與多種標準外圍器件直接接口：串行時鍾線SCLK

，主機輸入/從機輸出數據線MISO，主機輸出/從機輸人數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SSN。SCLK是主機時鍾線，為MISO數據的發送和接收提供同步時鍾信號。在正常工作的時候，主機的4個引腳應和從機對應的4個引腳分別相連。
 

SPI模塊為了和外設進行數據交換，根據外設的工作要求

，其輸出串行同步時鍾的極性和相位可以進行配置


，時鍾的極性(CPOL)對傳輸的協議沒有重大影響。如果CPOL=0

，串行同步時鍾的空閑狀態為低電平;相反，如果CPOL=l，串行同步時鍾的空閑狀態為高電平。時鍾相位(CPHA)能夠配置用於選擇兩種不同的傳輸協議之一進行數據傳輸。

如果CPHA=0，在串行同步時鍾的第一個跳變沿(上升或下降)數據被采樣;如果CPHA=1，在串行同步時鍾的第二個跳變沿(上升或下降)數據被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設時鍾相位和極性應該一致。SPI接口時序如圖1、圖2所示。

 

圖1：CPOL=0 CPHA =0

 

圖2：CPOL=0 CPHA=1

 

 

根據功能定義及SPI的工作原理，將整個SPI IP劃分為8個子模塊：APB接口模塊
、時鍾分頻模塊
、發送數據FIFO模塊

、接收數據FIFO模塊
、寄存器控製模塊



、命令解析模塊、中斷處理模塊及發送接收數據模塊。整個SPI模塊劃分結構圖如圖3所示。
 

圖3：數據傳輸結構

 

在這些模塊中，Tx—FIFO和Rx—FIFO用來做接收發送數據的FIFO。DMA/INT是中斷控製模塊，通知MCU或者DMA發送或者接收數據的FIFO。CMD ANALYSIS模塊用來解析在從模式下Host發過來的命令。CTRl/Register用來放置寄存器，供MCU讀寫配置SPI的各種參數。 Shifter用來做串並轉換，收發送數據。Clock模塊用來產生主模式下時鍾。

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5
、SPI的工作模式

 

SPI有兩種工作模式，可以通過外部引腳跳線的方式來切換。

主模式：發送和接收可以同時工作在主模式下。主模式的顯著特征是不論是發送還是接收始終有SCLK信號

，發送操作是由向發送FIFO中寫數據而觸發的。在主模式下，時鍾信號的1次作用對應一位數據的發送(MOSI)和另一位數據的接收(MISO)。

如圖4所示，在主片中數據從移位寄存器中自右向左發出送到從片(MOSI)，同時從片中的數據自左向右發到主片(MISO)
，經過8位時鍾周期完成1個字節的發送。輸入字節保留在移位寄存器中，此時SPI INT FLAG位自動置位(如果有中斷設置，則產生中斷)

，移位寄存器的數據將被鎖存到接收FIFO中，此後對接收FIFO的讀操作將把數據讀出。

從模式：發送和接收同時工作在從模式下。從模式的顯著特征是：不論是發送還是接收始終必須在SCLK信號作用下進行
，並且SSN信號必須有效。

當SSN信號無效時
，數據的發送無法進行並且輸入的數據視為無效。數據的發送和接收過程見圖3所示，與主模式下基本相似
，隻是移位寄存器的數據移出和輸入方向與之相反。
 

圖4：主片和從片發送和接收操作

 

 

為了保證RTL代碼的正確性，對IP的功能進行全麵的仿真驗證。仿真包括RTL級和門級仿真驗證。RTLjifangzhenshijiangdaimawenjiantiaoruyingjianmiaoshuyuyandefangzhenruanjianjinxinggongnengfangzhen，menjifangzhenbaokuobujubuxianqianhebujubuxianhoufangzhen。bujubuxianhoufangzhen
，huodejingquedeshiyancanshu。jiangRTL級代碼轉換成門級網表，0.13um工藝標準單元庫。
 

在zai傳chuan統tong的de設she計ji流liu程cheng中zhong進jin行xing功gong能neng驗yan證zheng
，首shou先xian需xu要yao通tong過guo寫xie測ce試shi矢shi量liang的de方fang式shi給gei需xu要yao進jin行xing功gong能neng測ce試shi的de模mo塊kuai加jia激ji勵li，然ran後hou通tong過guo觀guan察cha模mo塊kuai的de輸shu出chu結jie果guo，判pan斷duan模mo塊kuai的de功gong能neng是shi否fou正zheng確que。但dan是shi在zai寫xie測ce試shi矢shi量liang時shi，測ce試shi工gong程cheng師shi是shi在zai自zi己ji對dui模mo塊kuai功gong能neng理li解jie的de基ji礎chu上shang進jin行xing的de。這zhe樣yang就jiu存cun在zai一yi個ge問wen題ti
，測ce試shi矢shi量liang對dui模mo塊kuai的de激ji勵li有you可ke能neng是shi不bu完wan備bei的de，還hai有you可ke能neng是shi錯cuo誤wu的de，但dan測ce試shi矢shi量liang的de激ji勵li並bing沒mei有you使shi錯cuo誤wu體ti現xian出chu來lai;也ye有you可ke能neng模mo塊kuai的de功gong能neng是shi正zheng確que的de，誤wu報bao錯cuo誤wu使shi驗yan證zheng過guo程cheng變bian得de非fei常chang低di效xiao。為wei避bi免mian以yi上shang問wen題ti，對dui本ben設she計ji模mo塊kuai的de功gong能neng驗yan證zheng中zhong

，采cai用yong係xi統tong級ji驗yan證zheng環huan境jing。該gai環huan境jing由youIP總線、驅動器、監視器
、外(wai)部(bu)模(mo)塊(kuai)和(he)協(xie)調(tiao)它(ta)們(men)工(gong)作(zuo)的(de)腳(jiao)本(ben)組(zu)成(cheng)。組(zu)成(cheng)係(xi)統(tong)的(de)各(ge)模(mo)塊(kuai)可(ke)以(yi)按(an)需(xu)要(yao)加(jia)人(ren)環(huan)境(jing)。每(mei)次(ci)驗(yan)證(zheng)過(guo)程(cheng)就(jiu)是(shi)相(xiang)應(ying)的(de)激(ji)勵(li)作(zuo)用(yong)於(yu)環(huan)境(jing)的(de)過(guo)程(cheng)。驗(yan)證(zheng)結(jie)果(guo)由(you)環(huan)境(jing)產(chan)生(sheng)、檢驗和輸出。以保證測試矢量的完備性和正確性。
 

該驗證環境在LINUX操作係統下
，仿真器采用Cadence公司的Nc—verilog，支持C/C++、Verilog和VHDL協同仿真，可以直接把SPI模塊掛在驗證環境中，通過Verilog的$readmemh任務讀入軟件激勵進行驗證。在係統時鍾為36MHz的情況下
，圖5(a)給出了CPOL=0，CPHA=1時
，發送6位數據的仿真結果。圖5(b)給出了在CPOL=0，CPHA=0的情況下
，接收6位數據的仿真結果。
 

圖5：仿真結果
 

這兩個仿真結果說明本設計完全支持4種SPI傳輸協議
，而且能夠以最大的速率無縫傳輸數據。

 

結語：在本次設計中，SPI作為IP核嵌入監控係統SOC芯片中
，芯片經測驗
，指標符合設計要求。芯片中的SPI在進行板級測試後能夠支持四種傳輸協議，能夠在1秒鍾內抓圖，回顯15幀圖像，工作效率達到18Mbps.是業界領先水平。然而此次設計也有缺陷之處，設計過程中沒有做過數據校驗
，隨著技術提升
，設計過程中增加CRC校驗能夠增加數據的正確性


，使係統的效率得到提升。

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