一種基于FPGA的可配置SPI Master接口設計實現

　　隨著現場可編程門陣列（FPGA）芯片在商業、軍事、航空航天等領域的廣泛應用，其可靠性和可測試性顯得尤為重要。對設計人員來說，FPGA的使用相當靈活。然而，正是這種應用的不確定性和重復可編程性，增加了芯片的測試難度。其核心問題是建立什么樣的測試模型才能使故障激活。根據需求，FPGA的測試大體可分為面向制造的測試過程（MTP）和面向應用的測試過程（ATP）兩類。MTP主要是從制造商的角度來測試，ATP是在應用級上的測試，也就是把FPCA配置為特定的功能進行測試，具有很強的針對性。本文介紹ATP測試中SPI Master模型的建立。在測試FPGA設計的集成電路時，對設計電路的性能進行實時測試是必不可少的環節。這就需要設計一種接口電路，將測試數據送人設計電路。

　　1 SPI總線協議介紹

　　SPI（Seri。n Perpheral Interface）是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用4根線，節約了芯片的管腳，同時為PCB的布局節省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，越來越多的芯片集成了這種通信協議。SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設各和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（用于單向傳輸時，也就是半雙工方式）。也是所有基于SPI的設各共有，分別是MIS0（數據輸人），M0SI（數據輸出），SCK（時鐘），NSS（片選），如圖1所示。

圖1 SPI總線時

　　（1）M0SI：主設備數據輸出，從設備數據輸人。

　　（2）MISO：主設各數據輸人，從設備數據輸出。

　　（3）SCK：時鐘信號，由主設各產生。

　　（4）NSS：從設各使能信號，由主設各控制。

　　使能信號低電平有效，當使能信號為低電平時，輸出數據（M0SI）在串行時鐘（SCK）下降沿變化，輸人數據（MIS0）在（SCK）上升沿變化。

　　2 SPI Master原理

　　本文介紹的基于FPGA的、可配置的SPI Master接口設計，能滿足測試的各種正常、異常以及強度測試要求。此SPI接口模塊可設置為單次發送、循環發送（發送間隔可設）；發送數據長度可變；串行時鐘線（SCK）與輸出數據線（MOSI）時序關系可變；串行時鐘線（SCK）與使能信號（NSS）時序關系可變。

　　一般情況下，為了SPI數據發送的靈活性，SPI發送次數及發送間隔是由軟件實現的，當需要循環發送且發送間隔達到微秒甚至納秒數量級時，軟件很難實現。本文將SPI發送次數以及發送間隔集成到SΠ Master模塊中，使SPI發送間隔可變且最小為一個SCK周期。按照SPI總線協議設計的SPI Master輸出數據（M0SI）在串行時鐘（SCK）下降沿變化，不能進行異常時序測試，而異常時序在FPGAH的接口測試中又最為重要，故本文利用觸發器特性設計電路，使SPI發送數據時序可變，精度為1個系統時鐘周期。

　　3 SP丨Master模塊結構圖

　　SPI Master模塊由Bram接口、配置寄存器、控制器三部分組成，如圖2所示。此模塊系統時鐘為100 MHz。

圖2 SPI Master模塊結構圖

　　BRAY接口：控制配置參數以及SPI數據的讀寫配置參數及SPI數據在BRAM中存儲結構如表1所示。

表1 BRAM存儲結構表

　　控制器：解析配置寄存器，產生發送時序，控制BRAM接口進行數據讀寫。

　　對配置寄存器說明如下。

　　（1）循環發送標識寄存器：1 bit，高電平標識循環發送，低電平標識單次發送。

　　｛2）循環發送次數寄存器：15 bit，若循環發送標識為高電平時，此寄存器值為要發送的數據長度，單位：B；發送模塊中包含一發送次數計數器，NSS從高電平變為低電平，發送次數計數器加1。

　　（3）循環發送間隔寄存器：16 bit，若循環發送標識為高電平時，此寄存器值為每兩次發送間隔，單位：10 ns。（最小間隔為1個SCK周期，若小于1個SCK周期，則從設各不能檢測到NSS信號變化），發送模塊中包含1個發送間隔計數器，從一次SPI發送結束開始計數，直到與循環發送間隔寄存器中值相等，啟動下次發送。

　　（4）SCK頻率寄存器：16 bit，此寄存器值表示串行時鐘tCK周期，單位為10 ns（系統時鐘為100 MHz，精度為⒛ns）；時序模塊中包含一分頻模塊，SCK周期=（SCK頻率寄存器）×10 ns。

　　（5）M0SI時序寄存器：8 bit，此寄存器值表示M0SI變化與SCK下降沿間隔時間，單位：10 ns（系統時鐘為100 MHz，因此最小間隔為lO ns）。

　　（6）數據長度寄存器：16 bit，此寄存器值表示要發送數據的長度，單位：B。

　　（7）NSS時序寄存器：8 bit，此寄存器值表示NSS變化與SCK下降沿間隔時間，單位：lO ns（系統時鐘為100 MHz，因此最小間隔為lO ns）。

　　4 SPI Master模塊功能介紹

　　（1）SPI循環發送次數可變，范圍：1～32 767；（2）SPI數據發送長度可變，范圍：1～65 535，單位：B；（3）SPI循環發送間隔可變，范圍：（1個SCK周期）～（65 536×10 ns），實現了連續發送，即一次SPI發送結束后下一SCK時鐘立即啟動下次SPI發送；（4）MOSI與SCK時序關系可變，NSS與SCK時序關系可變，SPI總線為下降沿發送，上升沿接收，故MOSI、NSS在SCK下降沿后半個周期可調即可。

　　SPI功能流程如圖3所示，FPGA上電復位后不斷檢測SPI start信號，當SPI stalt信號有效時（高電平）啟動SPI發送，讀取BRAM中的配置參數，進行澤碼，依據譯碼后數據長度值讀取BRAM中數據，按照SPI協議發送數據；完成一次SPI發送后判斷是否為循環發送，若為循環發送則啟動下一次SPI發送，直到發送次數等于循環發送次數寄存器值，萁中發送間隔由循環發送間隔寄存器值決定。

圖3功能流程圖

　　4．1單次發送（正常時序）

　　SPI Master控制器檢測到SPl＿start信號有效，即控制Bram接口讀取配置參數，經譯碼后若循環發送標識寄存器為低電平，則配合發送長度寄存器讀取BRAM中數據，并進行發送。

　　4．2單次發送（異常時序）

　　M051異常時序：正常情況下M0SI在SCK下降沿變化，此設計采用一帶抽頭的序列寄存器產生異常時序，如圖4。

圖4異常時序產生模塊結構圖

　　每增加一個觸發器，延時增加一個系統時鐘，多路開關依據M051日寸序寄存器中值選擇相應觸發器輸出，產生異常時序，舉例說明如圖5。

　　圖5中sys_clk為系統時鐘頻率100 MHz，NSS為使能信號；MOSI為串行輸出信號；當SCK頻率寄存器為10時，SPI串行時鐘SCK周期＝（SCK頻率寄存器）×10 ns=100 ns，即SCK頻率為10 MHz；當M0SI時序寄存器值為4時，M0SI在SCK下降沿后4個sys elk開始變化。

圖5 SPI異常時序圖

　　4．3循環發送（時序正常）

　　每完成一次SPI發送，發送次數計數器加1，當發送次數計數器中的值與循環發送次數寄存器中值相等時，完成循環發送。發送次數由循環發送次數寄存器值決定，循環發送間隔由發送間隔計數器決定。

　　4．4循環發送（時序異常）

　　類似循環發送（正常時序），異常時序產生類似單次發送（異常時序）。

　　實現的目標器件是Xilinx的Vitex2 pro開發板。本文已應用于中國科學院光電研究院測試平臺中，實現了SPI接口以及與其功能相關的的測試。與同類SPI Master相比，發送間隔可變、精度高，最小間隔僅為1個SCK時鐘周期；發送時序可變，精度高，為1個系統時鐘周期；基本滿足正常、異常以及強度等測試要求。