导言
SPI（串行外围接口）总线，是一个同步串行接口的数据总线，它具有全双工、信号线少、协议简略、传输速度快等长处。因为串行总线的信号线比并行总线更少、更简略，越来越多的体系抛弃运用并行总线而选用串行总线。在许多串行总线中，SPI 总线与I2C 总线、CAN 总线、USB 等其他常用总线比较有很大优势，如SPI 总线的数据传输速度可达若干Mbps， 比I2C 总线快许多。SPI 总线最典型的运用便是主机与外围设备（如EEPROM、Flash RAM、A/D 转化器、LED 显示器、实时时钟等）之间的通讯。
FPGA（现场可编程门阵列）是在PAL、GAL、PLD 等可编程器材的基础上进一步开展的产品，具有规划周期短、可重复编程、灵活性强等特色。用FPGA 规划的SPI 总线具有可扩展性强、便于修正等长处。只要对规划做简略的改动，即可对SPI 总线的数据位数、作业形式等进行扩展，充分发挥了FPGA 的优势。
1 SPI 总线的结构和作业原理
SPI 总线区别主机（Master）和从机（Slave）两部分，它的结构框图如图1 所示。
图1 SPI 总线结构框图
主机和从机之间经过4 根信号线衔接，别离是SCK、MOSI、MISO、CS，它们的界说如下。
SCK：同步时钟信号，用来同步主机和从机的数据传输，由主机操控输出，从机在SCK 的边缘接纳和发送数据；MOSI：主机输出、从机输入信号，主机在上升沿（或下降沿）经过该信号线发送数据给从机，从机鄙人降沿（或上升沿）经过该信号线接纳该数据；MISO：主机输入、从机输出信号，从机在上升沿（或下降沿）经过该信号线发送数据给主机，主机鄙人降沿（或上升沿）经过该信号线接纳该数据；CS：从机片选信号，由主机操控输出。
其作业原理是： 当没有数据需求在主机和从机之间传输时，主机操控SCK 输出闲暇电平，CS 输出无效电平，SPI 总线处于闲暇状况；当有数据需求传输时，主机操控CS 输出有用电平，SCK输出时钟信号，SPI 总线处于作业状况；在某个时钟边缘，主机和从机一起发送数据，将数据别离传输到MOSI 和MISO 上；鄙人一个时钟边缘，主机和从机一起接纳数据，别离将MISO 和MOSI上的数据接纳并存储；当数据悉数传输完毕时，主机操控SCK 输出闲暇电平，CS 输出无效电平，SPI 总线从头回到闲暇状况。至此，一个完好的SPI 总线数据传输进程完结。
SPI 总线有两个操控位：CPOL 和CPHA.将SCK 的闲暇电平用IDLE 表明，非闲暇电平用ACTIVE 表明。CPOL 用来挑选IDLE 的电平值。当CPOL=0 时，IDLE=0;当CPOL=1 时，IDLE=1.
CPHA 用来挑选接纳数据的时间。当CPHA=0 时， 接纳时间是IDLE-ACTIVE 边缘；当CPHA=1 时，接纳时间是ACTIVE-IDLE边缘。依据CPOL 和CPHA 的取值状况，SPI 总线共有4 种不同的作业形式。图2 给出了SPI 总线在不同作业形式下的作业时序。
图2 SPI 总线的作业时序
当CPHA=0 时，MOSI 和MISO 的时序有所不同，首要是第一个数据位MSB 的发送时间不同。MOSI 的MSB 在SCK 的第一个IDLE-ACTIVE 边缘的前半个周期由主机发送到MOSI 上；而MISO 的MSB 则在CS 信号的下降沿由从机发送到MISO 上。当CPHA=1 时，MOSI 和MISO 的时序完全相同。
2 SPI 主机模块的规划
本文规划的SPI 主机模块首要完结以下作业：
（1） 将主机收到的8 位并行数据转化为串行数据，并发送给从机；（2） 接纳来自从机的串行数据，将其转化为并行数据，经过并行端口输出；（3） 输出从机所需求的输入信号、时钟信号SCK 和片选信号CS。
在数据串并转化的进程中， 有必要用到寄存器来寄存暂时数据。一般状况下，发送数据需求1 个发送寄存器，接纳数据需求1个接纳寄存器，则至少需求2 个寄存器。在SPI 总线中，每发送1个数据位则发送寄存器多出1 个闲暇位， 正好能够在半个周期后用来接纳1 个数据位。为了削减资源耗费，能够用1 个移位寄存器来替代2 个独立的接纳寄存器和发送寄存器。图3 所示为SPI 总线的硬件结构框图，其间Master 和Slave 各运用1 个移位寄存器接纳和发送数据。
图3 SPI 总线的硬件结构
为了完结对模块的操控，除了clk、cs、sck、miso、mosi 这些信号之外，还需求一些其他信号。其间，rst 是复位信号，用于SPI 模块的初始化。en 是模块的使能信号，当en=1 时模块开端作业。
data_i 是待发送数据的8 位并行输入端。data_o 是用于接纳和发送数据的移位寄存器， 也是数据传输完结时已接纳数据的8位并行输出端，图4 是所规划的SPI 主机模块的框图。
图4 SPI 模块框图
下面是用Verilog HDL 规划的SPI 主机模块（CPOL =0，CPHA=1）的首要程序，程序中省去了变量的声明，并在注释中对这些变量作了阐明。
3 规划的仿真、归纳与完结
经过编写测验渠道，并运用Mentor Graphics 公司的仿真东西ModelSim SE PLUS 6.1f 对该SPI 模块进行仿真，得到的仿真波形如图5 所示。
图5 SPI 模块的仿真波形
从图中能够看出，sck 的闲暇电平IDLE=0，接纳数据时间是下降沿即ACTIVE-IDLE 边缘， 故该SPI 模块的作业形式是CPOL=0，CPHA=1，与规划共同。当en=0 时，cs=1，SPI 总线处于闲暇状况。当en=1 时，鄙人降沿cs=0，sck 输出时钟信号，总线数据传输开端。一起，data_o=data_i， 移位寄存器存入待发送数据11010111.在第1 个周期上升沿，主机经过mosi 发送data_o 最高位1 至从机。在第1 个周期下降沿，data_o 左移一位，多出一个闲暇位data_o［0］，主机经过miso 接纳从机发送的数据最高位1，并将其存入data_o［0］，data_o=10101111.依此类推，后边7 个周期的数据传输进程与第1 个周期相似。8 位数据悉数传输完结之后，cs=1，一个完好的SPI 总线传输进程完毕。能够发现，data_o中的数据被一个一个从主机发送到从机，一起data_o 也被用来存储从机发送的数据。8 个周期完结之后，data_o 中存储的数据正是从机发送的数据10101101.归纳以上剖析，该SPI 模块的功用是正确的。
经过试验，在Xilinx ISE 9.1i 中完结了对该模块的归纳与完结，并下载到Digilent 公司的FPGA 开发板Spartan-3E Starter 上进行验证，试验成果正确。归纳东西运用ISE 自带的XST，下载东西运用ISE 自带的iMPACT.
4 结语
本文用Verilog 硬件描绘言语规划了一个契合SPI 总线标准的SPI 主机模块，运用仿真东西ModelSim 对其进行仿真并给出了仿真波形。在Xilinx ISE 中对该模块进行归纳与完结，并在FPGA 上完结了下载与验证。该SPI 主机模块的功用正确，作业安稳，可扩展性强。因为SPI 总线运用规模很广，使用FPGA 可重复装备的长处，该模块能够很方便地运用于各种场合。本文作者立异点：依据SPI 总线标准，用Verilog HDL 规划并完结了一个带有移位寄存器的SPI 总线模块，具有简练高效、便于修正、可扩展性强等特色。
