【導讀】SPI英文全稱Serial Peripheral Interface，SPI串行外圍接口是具有通信可靠、速度快、電路簡單等特點的三線同步串行全雙工通信接口。SPI接口在EEPROM存儲器、LCD模塊、數據輸入輸出設備、FLASH等器件中廣泛應用。目前的單片機都將SPI接口控制器集成于于內部，更有利于軟件的運行，操作更加方便。
由于SPI系統總線一共只需3～4位數據線和控制線即可實現與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進行接口，而擴展并行總線則需要8根數據線、8—16位地址線、2～3位控制線，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總線可以增加應用系統接口器件的種類，提高應用系統的性能。
1、設計方案
通過深入分析SPI的四種傳輸協議可以發現，根據一種協議，只要對串行同步時鐘進行轉換，就能得到其余的三種協議。為了簡化設計，規定如果要連續傳輸多個數據，在兩個數據傳輸之問插入一個串行時鐘的空閑等待，這樣狀態機只需兩種狀態(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模塊控制數據在內存和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后做相應的操作。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制模塊和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的控制是可調的。SPI核心部分的時鐘頻率可調，可實現多種帶寬，增加了本設計SPI的靈活性。
2、內部總線接口
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復用性。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。
3、SPI總線接口及時序
SPI串行接口使用4條線可與多種標準外圍器件直接接口：串行時鐘線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是主機時鐘線，為MISO數據的發送和接收提供同步時鐘信號。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，其輸出串行同步時鐘的極性和相位可以進行配置，時鐘的極性(CPOL)對傳輸的協議沒有重大影響。如果CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態為低電平;相反，如果CPOL=l，串行同步時鐘的空閑狀態為高電平。時鐘相位(CPHA)能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協議之一進行數據傳輸。
如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿(上升或下降)數據被采樣;如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿(上升或下降)數據被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設時鐘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
4、模塊劃分
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、時鐘分頻模塊、發送數據FIFO模塊、接收數據FIFO模塊、寄存器控制模塊、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是中斷控制模塊，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用來做串并轉換，收發送數據。Clock模塊用來產生主模式下時鐘。
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5、SPI的工作模式
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，時鐘信號的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位時鐘周期完成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，此后對接收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，并且SSN信號必須有效。
當SSN信號無效時，數據的發送無法進行并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，只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
6、SPI的電路實現
為了保證RTL代碼的正確性，對IP的功能進行全面的仿真驗證。仿真包括RTL級和門級仿真驗證。RTL級仿真是將代碼文件調入硬件描述語言的仿真軟件進行功能仿真，門級仿真包括布局布線前和布局布線后仿真。布局布線后仿真，獲得精確的時延參數。將RTL級代碼轉換成門級網表，0.13um工藝標準單元庫。
在傳統的設計流程中進行功能驗證，首先需要通過寫測試矢量的方式給需要進行功能測試的模塊加激勵，然后通過觀察模塊的輸出結果，判斷模塊的功能是否正確。但是在寫測試矢量時，測試工程師是在自己對模塊功能理解的基礎上進行的。這樣就存在一個問題，測試矢量對模塊的激勵有可能是不完備的，還有可能是錯誤的，但測試矢量的激勵并沒有使錯誤體現出來;也有可能模塊的功能是正確的，誤報錯誤使驗證過程變得非常低效。為避免以上問題，對本設計模塊的功能驗證中，采用系統級驗證環境。該環境由IP總線、驅動器、監視器、外部模塊和協調它們工作的腳本組成。組成系統的各模塊可以按需要加人環境。每次驗證過程就是相應的激勵作用于環境的過程。驗證結果由環境產生、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操作系統下，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。在系統時鐘為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核嵌入監控系統SOC芯片中，芯片經測驗，指標符合設計要求。芯片中的SPI在進行板級測試后能夠支持四種傳輸協議，能夠在1秒鐘內抓圖，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，使系統的效率得到提升。
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