基于FPGA的可復用通信接口設計

摘要：集成電路設計越來越向系統級的方向發展，解決模塊間的接口問題顯得尤為重要。 SPI 串行總線是一種常用的標準接口，其使用簡單方便而且占用系統資源少，應用相當廣泛。 本文將介紹一種新的通用的SPI 總線的FPGA 實現方法。

1、引言

長期以來，外圍設備與主機CPU速度之間的不匹配始終困擾著人們，影響了計算機系統更迅速的發展。 隨著計算機處理能力及存儲規模的迅速增長，這個問題表現得更加突出。雖然已經采取了各種軟、硬件的 方法，不斷地改善著CPU與I/O設備之間的接口性能。然而，在許多應用中接口問題依然是制約系統性能的 瓶頸。對于特定的設計，設計者面對紛繁蕪雜的接口標準，一般根據系統所需的成本及功能選擇合適的標 準產品，這可能導致接口標準沖突和引起互用性問題；或許重新選擇與接口兼容的標準器件，但又可能會 造成不滿足功能需要或成本要求等。

FPGA技術的迅速發展使得接口問題有了好的解決方案。例如，現有的高性能接口IP及高速物理I/O的 FPGA，可滿足10Gb/s以上的通信系統的要求；而且用FPGA解決接口不兼容器件間的通信問題。因此本文 將提出一種新的基于FPGA 的SPI 接口設計方法。

SPI(Serial Peripheral Interface)串行外設接口總線[1]是一種同步全雙工串行通信接口總線。由于其連線 簡單使用方便，故得到廣泛應用。在實際開發應用中，若主控制器無SPI接口或需要與多個具有SPI接口的 外設通信，就要使用主控制器的I/O口通過軟件來模擬，這就在很大程度上限制了其應用且給數據傳輸帶來 不便。在FPGA技術迅速發展的時代，解決這個問題最方便的辦法就是集成一個SPI核到芯片上。

這里根據業界通用的SPI總線的標準，設計一種可復用的高速SPI總線。設計過程中很多變量都采用參 數形式，具體應用于工程實踐時根據實際需要更改參數即可，充分體現了可復用性。

2、 SPI 總線原理

SPI 總線由四根線組成：串行時鐘線(SCK)，主機輸出從機輸入線(MOSI)，主機輸入從機輸出線(MISO)， 還有一根是從機選擇線(SS)，它們在與總線相連的各個設備之間傳送信息，其連接方式如圖1。

圖1.SPI總線示意圖

SPI 總線中所有的數據傳輸由串行時鐘SCK 來進行同步，每個時鐘脈沖傳送1 比特數據。SCK 由主機產 生，是從機的一個輸入。時鐘的相位(CPHA)與極性(CPOL)可以用來控制數據的傳輸。CPOL=“0”表示SCK 的靜止狀態為低電平，CPOL =“1”則表示SCK 靜止狀態為高電平。時鐘相位(CPHA)可以用來選擇兩種 不同的數據傳輸模式。如果CPHA =“0”，數據在信號SS 聲明后的第一個SCK 邊沿有效。而當CPHA=“1” 時, 數據在信號SS聲明后的第二個SCK 邊沿才有效。因此，主機與從機中SPI 設備的時鐘相位和極性必須 要一致才能進行通信。

SPI 可工作在主模式或從模式下。在主模式下，每一位數據的發送／接收需要1 次時鐘作用；而在從 模式下， 每一位數據都是在接收到時鐘信號之后才發送／接收。1個典型的SPI系統包括一個主MCU和1 個或幾個從外圍器件。