基于Verilog的SPI通信FPGA程序设计，适合FPGA初学者，或者有SPI使用需求的开发者

基于Verilog的SPI通信FPGA程序设计，很多外设都会有 Spi 串行接口，比如我们常用下串并转换芯片 74HC595,以及我们米联客的 FEP 扩展 ADC 模块 DAQ7606 也支持串行 SPI 接口。SPI 接口作为一种标准接口而被广泛应用。本文笔者详细讲解 SPI 协议接口的 FPGA 设计，本文实现的是标准的 SPI 接口，很多器件也可以使用非标准的 SPI 接口实现更加灵活的使用。本文的除了提 供 SPI 接口的 FPGA 设计方案，更重要的是让读者继续学习 FPGA 的编程，提高自己的编程能力。在设计任何的通信接口前，我们一定要熟悉协议本身的通信时序，通信格式，SPI 串行通信也不例外。 ### 基于Verilog的SPI通信FPGA程序设计 #### 一、SPI通信协议简介 SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工、同步的串行接口，广泛应用于微控制器与各种外围设备之间的通信。它最初由Motorola提出，并因其简单高效的设计而在众多应用场景中得到普及。 #### 二、SPI接口的基本特性 1. **工作模式**：SPI接口通常采用主从模式工作，支持多从模式应用，但通常仅支持单一主设备。 2. **数据传输**：数据传输按位进行，高位在前，低位在后（MSB first）。 3. **数据速率**：现代SPI接口的数据速率可达到几Mbps甚至更高。 #### 三、SPI接口的物理层结构 SPI接口由以下四根信号线组成： - **MOSI (Master Out Slave In)**：主设备输出数据，从设备接收数据。 - **MISO (Master In Slave Out)**：主设备接收数据，从设备输出数据。 - **SCLK (Serial Clock)**：时钟信号，由主设备产生。 - **/SS (Slave Select)**：从设备选择信号，用于激活或禁用特定从设备，由主设备控制。 #### 四、SPI通信的关键特性——时钟极性和时钟相位 SPI通信中的关键特性之一是时钟极性和时钟相位的配置。这些配置决定了数据采样的时机以及总线在空闲时的状态。 1. **时钟极性 (CPOL, Clock Polarity)**：决定了SCLK信号在空闲状态下的电平（高或低）。 - 当CPOL=0时，SCLK空闲状态下为低电平。 - 当CPOL=1时，SCLK空闲状态下为高电平。 2. **时钟相位 (CPHA, Clock Phase)**：决定了数据采样发生的时钟边沿。 - 当CPHA=0时，在SCLK的第一个边沿（根据CPOL）进行采样。 - 当CPHA=1时，在SCLK的第二个边沿（根据CPOL）进行采样。 #### 五、SPI通信的数据传输过程 在一个SPI时钟周期内，数据的传输过程如下： 1. 主机通过MOSI线发送1位数据，同时从机通过该线读取这1位数据。 2. 从机通过MISO线发送1位数据，同时主机通过该线读取这1位数据。 这种双向的数据传输是通过移位寄存器实现的。随着时钟脉冲，数据从主机寄存器向从机寄存器移动，同时数据也从从机寄存器向主机寄存器移动。 #### 六、SPI通信的Verilog实现 以下是一个简单的SPI发送模块的Verilog代码示例，用于演示SPI通信的实现过程。 ```verilog module master_spi_tx#( parameter CPOL = 1'b0, parameter CPHA = 1'b0 )( input clk_i, output spi_tx_o, // MOSI output spi_clk_o, // SCK input spi_tx_en_i, // 发送使能信号 input [7:0] spi_tx_data_i, // 待发送数据 output spi_en_o, // SPI 传输使能 output spi_busy_o // SPI 正在传输 ); // SPI 时钟分频单元 parameter [9:0] SPI_DIV = 10'd499; // 分频值假设为50MHz时钟频率 parameter [9:0] SPI_DIV1 = SPI_DIV / 2; parameter PSET = CPHA ? 1'b1 : 1'b0; reg [9:0] clk_div = 10'd0; reg spi_en = 1'b0; always @(posedge clk_i) begin if ((clk_div < SPI_DIV) && spi_en) begin clk_div <= clk_div + 1'b1; end else begin // 更多代码实现细节... end end ``` #### 七、总结 通过上述介绍，我们可以了解到SPI通信的基础知识及其在FPGA中的实现方法。对于初学者来说，理解SPI协议的基本原理、掌握其在Verilog中的实现逻辑是非常重要的一步。此外，熟悉SPI通信的时序图及关键参数配置有助于更好地设计和调试基于SPI的通信系统。 SPI作为一种常见的通信接口，在FPGA设计中有着广泛的应用前景。通过本篇文章的学习，希望读者能够掌握SPI通信的核心概念，并能够在实际项目中运用所学知识进行有效的FPGA程序设计。