FPGA零基础学习：SPI 协议驱动设计

眼镜一米二

                 

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系统性的掌握技术开发以及相关要求，对个人就业以及职业发展都有着潜在的帮助，希望对大家有所帮助。后续会陆续更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相关操作软件的开发的相关内容，学习FPGA设计方法及设计思想的同时，实操结合各类操作软件，会让你在技术学习道路上无比的顺畅，告别技术学习小BUG卡破脑壳，告别目前忽悠性的培训诱导，真正的去学习去实战应用。话不多说，上货。

SPI 协议驱动设计

本篇实现基于叁芯智能科技的SANXIN -B01 FPGA开发板，以下为配套的教程，如有入手开发板，可以登录官方淘宝店购买，还有配套的学习视频。

SANXIN-B01 Verilog教程-郝旭帅团队

SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且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，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议。

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，中间靠三线或者四线连接（三线时为单向传输或者数据线双向传输）。所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO、MOSI、SCLK、CS。

MISO– Master Input Slave Output,主设备数据输入，从设备数据输出。

MOSI– Master Output Slave Input,主设备数据输出，从设备数据输入。

SCLK – Serial Clock,时钟信号，由主设备产生。

CS – Chip Select,从设备使能信号，由主设备控制。

cs是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位)，主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个spi设备成为可能。

通讯是通过数据交换完成的，由sclk提供时钟脉冲，mosi、miso则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 mosi线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要N次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次)，才能完成N位数据的传输。

spi通信有四种不同的模式，不同的从设备可能在出厂时就已经配置为某种模式。通信的双方必须是工作在同一模式下，所以我们可以对主设备的spi模式进行配置，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来控制我们主设备的通信模式。

mode0：CPOL=0，CPHA=0；

mode1：CPOL=0，CPHA=1；

mode2：CPOL=1，CPHA=0；

mode3：CPOL=1，CPHA=1；

时钟极性CPOL是用来配置SCLK在空闲时，应该处于的状态；时钟相位CPHA用来配置在第几个边沿进行采样。

CPOL=0，表示在空闲状态时，时钟SCLK为低电平。

CPOL=1，表示在空闲状态时，时钟SCLK为高电平。

CPHA=0，表示数据采样是在第1个边沿。

CPHA=1，表示数据采样是在第2个边沿。

即：

CPOL=0，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据采样是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在上升沿，数据发送是在下降沿。

CPOL=0，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于低电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由低电平到高电平的跳变，所以数据采样是在下降沿，数据发送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=0：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据采集是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在下降沿，数据发送是在上升沿。

CPOL=1，CPHA=1：此时空闲态时，SCLK处于高电平，数据发送是在第1个边沿，也就是SCLK由高电平到低电平的跳变，所以数据采集是在上升沿，数据发送是在下降沿。

• 硬件简介
  

FLASH闪存 的英文名称是"Flash Memory"，一般简称为"Flash"，它属于内存器件的一种，是一种非易失性( Non-Volatile )内存。

在开发板上有一块flash（M25P16），用来保存FPGA的硬件配置信息，也可以用来存储用户的应用程序或数据。

M25P16是一款带有写保护机制和高速SPI总线访问的2M字节串行Flash存储器，该存储器主要特点：2M字节的存储空间，分32个扇区，每个扇区256页，每页256字节；能单个扇区擦除和整片擦除；每扇区擦写次数保证10万次、数据保存期限至少20年。

C（serial clock：串行时钟）为D和Q提供了数据输入或者输出的时序。D的数据总是在C的上升沿被采样。Q的数据 在C的下降沿被输出。

ˉS（Chip Select：芯片选择端），当输入为低时，该芯片被选中，可以允许进行读写操作。当输入为高时，该芯片被释放，不能够进行操作。

对于H——o——l——d——和W——， 为保持功能和硬件写保护功能，在本设计中不使用此管脚，在硬件设计时，这两个管脚全部被拉高了，即全部失效。

flash采用spi的通信协议，flash当做从机。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，这两种模式中，都是在时钟的上升沿采样，在时钟的下降沿发送数据。

flash的每一页都可以被写入，但是写入只能是把1改变为0。擦除可以把0改变为1。所以在正常写入数据之前，都要将flash进行擦除。

flash的命令表如下：

下面介绍几个常用的命令。

RDID（Read Identification ：读ID）：发送命令RDID（9F），然后接收第1个字节的memory type（20H），第二个字节的memory capacity（15H）。后续的字节暂不关心。

WREN（Write Enable ：写使能）：在任何写或者擦除的命令之前，都必须首先打开写使能。打开写使能为发送命令WREN（06h）。

RDSR（Read Status Register：读状态寄存器）：发送命令RDSR（05h），然后返回一个字节的状态值。

状态寄存器的格式如下：

WIP（Write In Progress bit）表示flash内部是否正在进行内部操作，写和擦除都会导致flash内部进行一段时间的工作，在内部工作期间，外部的命令会被忽略，所以在进行任何命令之前，都需要查看flash内部是否正在工作。WIP为1时，表示flash内部正在工作；WIP为0时，表示flash内部没有在工作。

READ（Read DATA Bytes：读数据）：发送命令READ（03H），后续发送3个字节的地址，然后就可以接收数据，内部的地址会不断递增。一个读命令就可以把整个flash全部读完。

PP（Page Program ：页编写）：发送命令PP（02H），接着发送3个字节的地址，然后发送数据即可。切记所写的数据不能超过本页的地址范围。

SE（Sector Erase ：扇区擦除）：发送命令SE（D8H），接着发送3个字节的地址。

BE（Bulk Erase：整片擦除）：发送命令BE（C7H）。

关于flash的其他的介绍，可以参考03_芯片手册->FLASH->M25P16.pdf。

• 设计要求
  

设计flash（M25P16）控制器。

• 设计分析
  

根据M25P16的数据手册得知，其接口为spi接口，且支持模式0和模式3，本设计中选择模式0。

输入时序图如下：

输出时序如下：

时序图中所对应的符号说明：

根据输入和输出的时序图以及参数表，将SPI的时钟的频率定为10MHz。

在设计中，FPGA作为主机，M25P16作为从机。

• 架构设计和信号说明
  

此模块命名为m25p16_drive。

二级模块（分模块）（第一页）

二级模块（分模块）（第二页）

设计中，各个命令单独写出控制器，通过多路选择器选择出对应的命令，然后控制spi_8bit_drive将数据按照spi的协议发送出去。各个命令的脉冲通过ctrl模块进行控制各个命令控制器，写入的数据首先写入到写缓冲区，读出的数据读出后写入到读缓冲区。

暂不分配的端口，在应用时都是由上游模块进行控制，本设计测试时，编写上游模块进行测试。

各个模块的功能，和连接线的功能在各个模块设计中说明。

• spi_8bit_drive设计实现
  

本模块负责将8bit的并行数据按照spi协议发送出去，以及负责按照spi协议接收数据，将接收的数据（8bit）并行传输给各个模块。

spi_send_en为发送数据使能信号（脉冲信号），spi_send_data为所要发送数据，spi_send_done为发送完成信号（脉冲信号）。

spi_read_en为接收数据使能信号（脉冲信号），spi_read_data为所接收的数据，spi_read_done为接收完成信号（脉冲信号）。

在发送逻辑控制中，全部的信号采用下降沿驱动。利用外部给予的spi_send_en作为启动信号，启动send_cnt。send_cnt在不发送数据时为8，发送数据时，从0到7。

在接收逻辑中，全部的信号采用上升沿驱动。利用外部给予的spi_read_en作为启动信号，启动rec_en，经过移位接收数据。

在spi_sclk输出时，采用组合逻辑。由于设计采用spi的模式0，故而spi_sclk不发送或者接收数据时为0，接收数据时为时钟信号。因为要求为模式0，所以在接收数据时，spi_sclk的输出不能够先有下降沿，即要求spi_sclk的控制信号不能由上升沿信号驱动，所以将rec_en同步到下降沿的rec_en_n。

仿真代码为：

在仿真中，将时钟设置为10MHz。

所有的信号采用上升沿驱动。发送一个8bit的随机数值，接收一个8bit的随机数值。

spi_miso信号为从机下降沿驱动信号。

通过RTL仿真，可以看出发送和接收全部正常。

• mux7_1设计实现
  

本模块负责将7个命令模块发出的命令（写使能、写数据和读使能）经过选择发送给spi_8bit_drive模块。

在设计中，有的命令模块不需要进行读取（pp和se等等），此时将输出的读使能信号输出为低电平。

• be设计实现
  

该模块接收到be_en（整片擦除的脉冲信号）信号后，发送对应的使能和数据，等待发送完成脉冲。发送完成后，输出擦除完成的脉冲。

整片擦除的命令为8’hc7。

• wren设计实现
  

该模块接收到wren_en（打开flash内部的写使能的脉冲信号）信号后，发送对应的使能和数据，等待发送完成脉冲。发送完成后，输出擦除完成的脉冲。

打开flash内部写使能的命令码为8’h06。

• se设计实现
  

该模块接收到se_en（擦除扇区的写使能的脉冲信号）信号后，发送对应的使能和数据，等待发送完成脉冲。发送完成后，接着发送高八位地址，中间八位地址和低八位地址。全部发送完成后，发送se_done信号。

该模块采用状态机实现。SE_STATE（扇区擦除命令发送）、H_ADDR（高八位地址发送）、M_ADDR（中间八位地址发送）、L_ADDR（低八位地址发送）、SE_DONE（扇区擦除完成）。所有的脉冲信号在未标注的时刻，输出全部为0。

设计代码为：

在发送过程中，由于是每8bit发送一次，所以在时序上将看到发送时，每8个脉冲一组，中间会有明显的间隔。

• pp设计实现
  

该模块负责将外部写fifo中的数据写入到flash中。wr_fifo_rd为写fifo的读使能信号，wrdata为从写fifo中读出的数据，wr_len为需要写入flash中数据的长度，wr_addr为写入地址。

该模块采用状态机实现。PP_STATE（发送pp命令），H_ADDR（发送高八位地址）、M_ADDR（发送中间八位地址），L_ADDR（发送低八位地址）、RDFIFO（读写fifo）、FIFO_WAIT（等待读写fifo的数据输出）、SEND（发送8bit数据）、SEND_WAIT（发送等待，发送完成后判断是否发送完成）。对于所有的脉冲信号，没有赋值的位置，全部赋值为0。

cnt为记录已经发送的数据个数。

设计代码为：

• rdsr设计实现
  

本模块的功能为读取m25p16的状态寄存器，主要检测状态寄存器的最低位（WIP）。

WIP（write in progress ：正在进行写进程），该bie位表示了flash内部是否在进行写进程。如果处于写进程时，flash忽略外部所有的命令，所以建议在执行任何命令前，首先进行检测该位。1表示正在写进程中，0表示不处于写进程。

如果检测到正在写进程中，进行延迟1ms，然后再次读取该位状态。直到写进程结束。

本模块采用状态机设计实现。ILDE（发送读状态寄存器命令）、RDSRSTATE（发送读使能）、WIP（判断wip位）、 DELAY1ms（延迟1ms）。cnt为延迟1ms的计数器。

设计代码为：

• rdid设计实现
  

该模块负责读取flash的ID（2015），验证ID的正确性。

该模块采用状态机的方式实现。IDLE（等待读取ID的命令）、IDSTATE1（读取高八位ID）、IDSTATE2（读取中间八位ID）、IDSTATE3（读取低八位ID）、ID_CHECK（检测ID的正确性）。

状态转移图如下：

设计代码为：

• read_ctrl设计实现
  

该模块负责将flash的数据读出，写入到输出缓存中。

该模块采用状态机实现。RD_STATE（等待读命令）、H_ADDR（发送高八位地址）、M_ADDR（发送中间八位地址）、L_ADDR（发送低八位地址）、RDDATA（读取数据）、WRFIFO（将读出的数据写入到FIFO中）、CHECK_LEN（判断读取的长度）。

状态转移图如下：

设计代码为：

• wr_fifo和rd_fifo调用
  

两个fifo的宽度设置为8，深度设置为256，同步fifo，带有复位。

• ctrl设计实现
  

该模块根据外部的命令，按照m25p16的执行规则，进行控制各个模块的执行。

该模块采用状态机实现。INIT_RDSR（读WIP），INIT_RDID（读ID），INIT_ID（判断ID），WIP（读WIP），WIP_DONE（等待WIP），IDLE（空闲状态），**STATE（执行对应的命令），**WREN（打开flash的写使能）。在进行任何命令前，都检查wip。

状态转移图如下：

在不同的状态，mux_sel选择对应的命令通过。

drive_busy只有在IDLE状态才是低电平。

spi_cs_n信号， DLE状态为高电平、WIP_DONE（INIT_RDID）中spi_read_done信号为高时 （保证能够多次读取状态寄存器）、在其他状态发生切换时，spi_cs_n 为高电平，否则为低电平。

设计代码为：

• m25p16_drive设计实现
  

本模块负责连接所有二级模块，实现所有的功能。

• RTL仿真
  

本次设计涉及到读取flash的id以及状态寄存器，所以在仿真时需要加入仿真模型。仿真模型放在msim的m25p16_sim_module中。m25p16为仿真模型的顶层文件。

由于读写和擦除的时间较长，RTL仿真中，将只仿真RDSR和RDID，其他的功能测试在板级测试时进行。

仿真代码如下：

在设置testbench时，注意将所有文件全部添加到文件中。

选择testbench时，注意选中设置的m25p16_drive_tb。

利用modelsim仿真，可以得出如下RTL仿真波形。

读到ID，以及检测WIP都是正确的。

• 板级测试
  

由于m25p16的时序原因，整个设计工作在10MHz（利用PLL产生）。

在进行测试控制时，对最后一个扇区进行擦除；对最后一个扇区的第一页进行写入数据100个（1至100）；对最后一个扇区的第一个进行读取，验证数据是否为1至100。

测试的控制模块命名为test_ctrl。

此模块采用状态机实现。WRFIFO（将1至100写入wrfifo中）、SE（扇区擦除）、PP（写入flash）、RD（读出flash）、WAIT_RD（等待读取）、CHECK（ 检测读出的数据的正确性）。

设计代码为：

将test模块设置为顶层。在test模块中，m25p16_drive例化中，对于整片擦除不做控制，对于addr直接指向最后一个扇区的第一页，len指定为100。

代码为：

由于开发板上的flash是为FPGA进行保存配置信息的，所以管脚都连接在专用管脚上，本次实验需要将这专用管脚配置为普通io。

右击器件型号，选择device。

点击device and pin options。

选择Dual-purpose pins，将其中所有的功能改为普通IO。

点击ok后，即可进行综合分析。

连接开发板和PC，打开逻辑分析仪。

采样时钟选择10MHz（PLL 的c0），采样深度设置为2K。

观测信号如下图所示。

首先将wrfifo_wr的触发条件设置为上升沿。点击触发后，按下复位按键。触发后，可以看到写入数据1至100后，然后进行SE命令。

将rdfifo_rd的触发条件设置为上升沿（将wrfifo_wr触发条件修改为donot care）。点击触发后，按下复位按键。

通过仿真和下板实测，验证控制器设计正确。

眼镜一米二

SPI 协议驱动设计