一. SPI总线协议
SPI(Serial Peripheral Interface)接口，中文为串行外设接口。它只需要3根线或4根线即可完成通信工作（这里讨论4根线的情况）。
这4根通信线分别为NCS/NSS(片选信号)、SCK/SCLK(串行同步时钟)、MOSI/SDO(主机输出从机输入，Master Output Slave Input)、MISO/SDI(主机输入从机输出)。
SPI通信有四种方式，由CPOL(时钟极性)、CPHA(时钟相位)的4种组合决定的。CPOL决定总线空闲时，SCK是高电平还是低电平(CPOL=,0，无数据传输时，SCK=0；CPOL=1，无数据传输时，SCK=1)。CPHA决定在数据开始传输时，SCK第几个跳变沿采集数据(CPHA=0，开始传输时，在第一个跳变沿采集数据，第二个跳变沿改变发送数据(即改变MISO或者MOSI线上电平)；CPHA=1，开始传输是，在第一个跳变沿改变发送的数据，在第二个跳变沿采集数据)（见图1）。
图1
确立可靠通信前，必须保证主从机处于同一种的传输方式，这里为方便起见，专门以CPOL=0，CPHA=0的传输方式进行讨论。需要注意的是：在CPOL=0，CPHA=0的情况下，主从机都在SCK上跳沿对数据进行采集，SCK下跳沿改变总线电平（见图2）。
图2
这里在使用FPGA实现SPI模块时，做一个规定：
1. 使用CPOL=0,、CPHA=0的传输方式；
2. 传输时，以最高位先输出，最后输出最低位；
3. FPGA实现的SPI模块作从机，SCK由外部主机提供；
4. 通信数据长度为8位。
二. FPGA的SPI从机实现
实现SPI从机，可以分为两个模块：一个是SPI接收模块，另一个则是SPI发送模块。
1. 首先确定模块的输出输入管脚
由标题一可以知道，SPI通信脚有4根线，我们还是用到时钟总线和模块复位脚，因此模块管脚可以定义为
module myspi(nrst, clk, ncs, mosi, miso, sck);
input clk, nrst;
input ncs, mosi, sck;
output miso;
2. SCK跳变沿检测
原理十分简单：使用寄存器记录SCK状态，由状态判断SCK是否出现跳变沿。
reg[2:0] sck_edge;
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
sck_edge <= 3'b000;
end
else
begin
sck_edge <= {sck_edge[1:0], sck};
end
end
wire sck_riseedge, sck_falledge;
assign sck_riseedge = (sck_edge[2:1] == 2'b01); //检测到SCK由0变成1，则认为发现上跳沿
assign sck_falledge = (sck_edge[2:1] == 2'b10); //检测到SCK由1变成0，则认为发现下跳沿
3. SPI接收部分
SPI接收部分使用有限状态机：
状态1：等待SCK上跳沿，并将MOSI的数据移入移位寄存器byte_received，接收位数寄存器bit_received_cnt记录接收到的数据位数，接收到8位数据后转入状态2；
状态2：保存移位寄存器byte_received数据到接收缓存器rec_data，接收标志位/接收缓存器非空标志位rec_flag置高4个clk时钟周期后转入状态3；
状态3：清除rec_flag并转入状态1。
reg[7:0] byte_received;
reg[3:0] bit_received_cnt;
reg rec_flag;
reg[1:0] rec_status; //SPI接收部分状态机
reg[7:0] rec_data;
reg[2:0] rec_flag_width; //SPI接收完成标志位脉冲宽度寄存器
always @ (posedge clk or negedge nrst) //每次sck都会接收数据，spi的顶端模块状态机决定是否取用
begin
if(~nrst)
begin
byte_received <= 8'h00;
bit_received_cnt <= 4'h0;
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
rec_flag_width <= 3'b000;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (rec_status)
2'b00: begin
if(sck_riseedge)
begin
byte_received <= {byte_received[6:0], mosi};
if(bit_received_cnt == 4'h7)
begin
bit_received_cnt <= 4'b0000;
rec_status <= 2'b01;
end
else
begin
bit_received_cnt <= bit_received_cnt+1;
end
end
end
2'b01: begin
rec_data <= byte_received;
rec_flag <= 1'b1;
if(rec_flag_width==3'b100) begin
rec_flag_width <= 3'b000;
rec_status <= 2'b11;
end
else begin
rec_flag_width <= rec_flag_width+1;
end
end
2'b11: begin
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
end
endcase
end
end
end
这里，使用rec_flag的原因是通知另一个模块处理接收数据(后面将会提到)，rec_data若在下一次数据传输完成前不做处理则会丢失。
4. SPI发送部分
SPI从机一般在解析主机发送的命令后，主动发出主机所需数据，所以，SPI发送部分，需要其他模块的触发，并将数据送往MISO管脚。
SPI发送部分也离不开状态机：
状态1：等待发送触发标志位send_flag置高，一旦标志位send_flag置高，发送移位寄存器byte_sended存储外部触发模块的数据send_data，miso管脚输出发送数据最高位send_data[7]，置位正在发送标志位sending_flag，转入状态2；
状态2：等待SCK上跳沿，即等待主机接收数据最高位后进入状态3；(其实这个状态可有可无的状态)
状态3：在SCK下跳沿，将发送移位寄存器byte_sended最高位移入miso管脚，当发送移位寄存器被移空，清除正在发送标志位sending_flag，进入状态4；
状态4：置低miso管脚，转入状态1。
reg miso;
reg sending_flag; //正在发送标志位
reg[7:0] byte_sended; //发送移位寄存器
reg[3:0] bit_sended_cnt; //SPI发送位计数器
reg[1:0] send_status; //SPI发送部分状态机
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
byte_sended <= 8'h00;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
send_status <= 2'b00;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (send_status)
2'b00: begin
if(send_flag)
begin //锁存发送数据
send_status <= 2'b01; //2'b01;
byte_sended <= send_data;
sending_flag <= 1'b1;
miso <= send_data[7];
end
end
2'b01: begin //发送数据移入移位寄存器
if(sck_riseedge) begin
//miso <= byte_sended[7];
//byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
send_status <= 2'b11;
end
end
2'b11: begin //根据sck下降沿改变数据
miso <= byte_sended[7];
if(sck_falledge) ///---------------------------------------这里多移了一位
begin
//miso <= byte_sended[7];
byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
if(bit_sended_cnt == 4'b0111)
begin
send_status <= 2'b10;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
bit_sended_cnt <= bit_sended_cnt+1;
end
end
end
2'b10: begin //数据发送完毕
send_status <= 2'b00;
//sending_flag <= 1'b0;
miso <= 1'b0;
end
endcase
end
end
end
经过实测，SCK频率低于clk频率8倍以上，通信可靠稳定，测试芯片为XC3S50-TQ144，平台为ISE，clk为25MHz。
实现SPI从机，可以分为两个模块：一个是SPI接收模块，另一个则是SPI发送模块。
1. 首先确定模块的输出输入管脚
由标题一可以知道，SPI通信脚有4根线，我们还是用到时钟总线和模块复位脚，因此模块管脚可以定义为
module myspi(nrst, clk, ncs, mosi, miso, sck);
input clk, nrst;
input ncs, mosi, sck;
output miso;
2. SCK跳变沿检测
原理十分简单：使用寄存器记录SCK状态，由状态判断SCK是否出现跳变沿。
reg[2:0] sck_edge;
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
sck_edge <= 3'b000;
end
else
begin
sck_edge <= {sck_edge[1:0], sck};
end
end
wire sck_riseedge, sck_falledge;
assign sck_riseedge = (sck_edge[2:1] == 2'b01); //检测到SCK由0变成1，则认为发现上跳沿
assign sck_falledge = (sck_edge[2:1] == 2'b10); //检测到SCK由1变成0，则认为发现下跳沿
3. SPI接收部分
SPI接收部分使用有限状态机：
状态1：等待SCK上跳沿，并将MOSI的数据移入移位寄存器byte_received，接收位数寄存器bit_received_cnt记录接收到的数据位数，接收到8位数据后转入状态2；
状态2：保存移位寄存器byte_received数据到接收缓存器rec_data，接收标志位/接收缓存器非空标志位rec_flag置高4个clk时钟周期后转入状态3；
状态3：清除rec_flag并转入状态1。
reg[7:0] byte_received;
reg[3:0] bit_received_cnt;
reg rec_flag;
reg[1:0] rec_status; //SPI接收部分状态机
reg[7:0] rec_data;
reg[2:0] rec_flag_width; //SPI接收完成标志位脉冲宽度寄存器
always @ (posedge clk or negedge nrst) //每次sck都会接收数据，spi的顶端模块状态机决定是否取用
begin
if(~nrst)
begin
byte_received <= 8'h00;
bit_received_cnt <= 4'h0;
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
rec_flag_width <= 3'b000;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (rec_status)
2'b00: begin
if(sck_riseedge)
begin
byte_received <= {byte_received[6:0], mosi};
if(bit_received_cnt == 4'h7)
begin
bit_received_cnt <= 4'b0000;
rec_status <= 2'b01;
end
else
begin
bit_received_cnt <= bit_received_cnt+1;
end
end
end
2'b01: begin
rec_data <= byte_received;
rec_flag <= 1'b1;
if(rec_flag_width==3'b100) begin
rec_flag_width <= 3'b000;
rec_status <= 2'b11;
end
else begin
rec_flag_width <= rec_flag_width+1;
end
end
2'b11: begin
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
end
endcase
end
end
end
这里，使用rec_flag的原因是通知另一个模块处理接收数据(后面将会提到)，rec_data若在下一次数据传输完成前不做处理则会丢失。
4. SPI发送部分
SPI从机一般在解析主机发送的命令后，主动发出主机所需数据，所以，SPI发送部分，需要其他模块的触发，并将数据送往MISO管脚。
SPI发送部分也离不开状态机：
状态1：等待发送触发标志位send_flag置高，一旦标志位send_flag置高，发送移位寄存器byte_sended存储外部触发模块的数据send_data，miso管脚输出发送数据最高位send_data[7]，置位正在发送标志位sending_flag，转入状态2；
状态2：等待SCK上跳沿，即等待主机接收数据最高位后进入状态3；(其实这个状态可有可无的状态)
状态3：在SCK下跳沿，将发送移位寄存器byte_sended最高位移入miso管脚，当发送移位寄存器被移空，清除正在发送标志位sending_flag，进入状态4；
状态4：置低miso管脚，转入状态1。
reg miso;
reg sending_flag; //正在发送标志位
reg[7:0] byte_sended; //发送移位寄存器
reg[3:0] bit_sended_cnt; //SPI发送位计数器
reg[1:0] send_status; //SPI发送部分状态机
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
byte_sended <= 8'h00;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
send_status <= 2'b00;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (send_status)
2'b00: begin
if(send_flag)
begin //锁存发送数据
send_status <= 2'b01; //2'b01;
byte_sended <= send_data;
sending_flag <= 1'b1;
miso <= send_data[7];
end
end
2'b01: begin //发送数据移入移位寄存器
if(sck_riseedge) begin
//miso <= byte_sended[7];
//byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
send_status <= 2'b11;
end
end
2'b11: begin //根据sck下降沿改变数据
miso <= byte_sended[7];
if(sck_falledge) ///---------------------------------------这里多移了一位
begin
//miso <= byte_sended[7];
byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
if(bit_sended_cnt == 4'b0111)
begin
send_status <= 2'b10;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
bit_sended_cnt <= bit_sended_cnt+1;
end
end
end
2'b10: begin //数据发送完毕
send_status <= 2'b00;
//sending_flag <= 1'b0;
miso <= 1'b0;
end
endcase
end
end
end
经过实测，SCK频率低于clk频率8倍以上，通信可靠稳定，测试芯片为XC3S50-TQ144，平台为ISE，clk为25MHz。
module myspi(nrst, clk, ncs, mosi, miso, sck);
input clk, nrst;
input ncs, mosi, sck;
output miso;
原理十分简单：使用寄存器记录SCK状态，由状态判断SCK是否出现跳变沿。
reg[2:0] sck_edge;
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
sck_edge <= 3'b000;
end
else
begin
sck_edge <= {sck_edge[1:0], sck};
end
end
wire sck_riseedge, sck_falledge;
assign sck_riseedge = (sck_edge[2:1] == 2'b01); //检测到SCK由0变成1，则认为发现上跳沿
assign sck_falledge = (sck_edge[2:1] == 2'b10); //检测到SCK由1变成0，则认为发现下跳沿
3. SPI接收部分
SPI接收部分使用有限状态机：
状态1：等待SCK上跳沿，并将MOSI的数据移入移位寄存器byte_received，接收位数寄存器bit_received_cnt记录接收到的数据位数，接收到8位数据后转入状态2；
状态2：保存移位寄存器byte_received数据到接收缓存器rec_data，接收标志位/接收缓存器非空标志位rec_flag置高4个clk时钟周期后转入状态3；
状态3：清除rec_flag并转入状态1。
reg[7:0] byte_received;
reg[3:0] bit_received_cnt;
reg rec_flag;
reg[1:0] rec_status; //SPI接收部分状态机
reg[7:0] rec_data;
reg[2:0] rec_flag_width; //SPI接收完成标志位脉冲宽度寄存器
always @ (posedge clk or negedge nrst) //每次sck都会接收数据，spi的顶端模块状态机决定是否取用
begin
if(~nrst)
begin
byte_received <= 8'h00;
bit_received_cnt <= 4'h0;
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
rec_flag_width <= 3'b000;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (rec_status)
2'b00: begin
if(sck_riseedge)
begin
byte_received <= {byte_received[6:0], mosi};
if(bit_received_cnt == 4'h7)
begin
bit_received_cnt <= 4'b0000;
rec_status <= 2'b01;
end
else
begin
bit_received_cnt <= bit_received_cnt+1;
end
end
end
2'b01: begin
rec_data <= byte_received;
rec_flag <= 1'b1;
if(rec_flag_width==3'b100) begin
rec_flag_width <= 3'b000;
rec_status <= 2'b11;
end
else begin
rec_flag_width <= rec_flag_width+1;
end
end
2'b11: begin
rec_flag <= 1'b0;
rec_status <= 2'b00;
end
endcase
end
end
end
这里，使用rec_flag的原因是通知另一个模块处理接收数据(后面将会提到)，rec_data若在下一次数据传输完成前不做处理则会丢失。
4. SPI发送部分
SPI从机一般在解析主机发送的命令后，主动发出主机所需数据，所以，SPI发送部分，需要其他模块的触发，并将数据送往MISO管脚。
SPI发送部分也离不开状态机：
状态1：等待发送触发标志位send_flag置高，一旦标志位send_flag置高，发送移位寄存器byte_sended存储外部触发模块的数据send_data，miso管脚输出发送数据最高位send_data[7]，置位正在发送标志位sending_flag，转入状态2；
状态2：等待SCK上跳沿，即等待主机接收数据最高位后进入状态3；(其实这个状态可有可无的状态)
状态3：在SCK下跳沿，将发送移位寄存器byte_sended最高位移入miso管脚，当发送移位寄存器被移空，清除正在发送标志位sending_flag，进入状态4；
状态4：置低miso管脚，转入状态1。
reg miso;
reg sending_flag; //正在发送标志位
reg[7:0] byte_sended; //发送移位寄存器
reg[3:0] bit_sended_cnt; //SPI发送位计数器
reg[1:0] send_status; //SPI发送部分状态机
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
byte_sended <= 8'h00;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
send_status <= 2'b00;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (send_status)
2'b00: begin
if(send_flag)
begin //锁存发送数据
send_status <= 2'b01; //2'b01;
byte_sended <= send_data;
sending_flag <= 1'b1;
miso <= send_data[7];
end
end
2'b01: begin //发送数据移入移位寄存器
if(sck_riseedge) begin
//miso <= byte_sended[7];
//byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
send_status <= 2'b11;
end
end
2'b11: begin //根据sck下降沿改变数据
miso <= byte_sended[7];
if(sck_falledge) ///---------------------------------------这里多移了一位
begin
//miso <= byte_sended[7];
byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
if(bit_sended_cnt == 4'b0111)
begin
send_status <= 2'b10;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
bit_sended_cnt <= bit_sended_cnt+1;
end
end
end
2'b10: begin //数据发送完毕
send_status <= 2'b00;
//sending_flag <= 1'b0;
miso <= 1'b0;
end
endcase
end
end
end
经过实测，SCK频率低于clk频率8倍以上，通信可靠稳定，测试芯片为XC3S50-TQ144，平台为ISE，clk为25MHz。
reg miso;
reg sending_flag; //正在发送标志位
reg[7:0] byte_sended; //发送移位寄存器
reg[3:0] bit_sended_cnt; //SPI发送位计数器
reg[1:0] send_status; //SPI发送部分状态机
always @ (posedge clk or negedge nrst)
begin
if(~nrst)
begin
byte_sended <= 8'h00;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
send_status <= 2'b00;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
if(~ncs)
begin
case (send_status)
2'b00: begin
if(send_flag)
begin //锁存发送数据
send_status <= 2'b01; //2'b01;
byte_sended <= send_data;
sending_flag <= 1'b1;
miso <= send_data[7];
end
end
2'b01: begin //发送数据移入移位寄存器
if(sck_riseedge) begin
//miso <= byte_sended[7];
//byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
send_status <= 2'b11;
end
end
2'b11: begin //根据sck下降沿改变数据
miso <= byte_sended[7];
if(sck_falledge) ///---------------------------------------这里多移了一位
begin
//miso <= byte_sended[7];
byte_sended <= {byte_sended[6:0], 1'b0};
if(bit_sended_cnt == 4'b0111)
begin
send_status <= 2'b10;
bit_sended_cnt <= 4'b0000;
sending_flag <= 1'b0;
end
else
begin
bit_sended_cnt <= bit_sended_cnt+1;
end
end
end
2'b10: begin //数据发送完毕
send_status <= 2'b00;
//sending_flag <= 1'b0;
miso <= 1'b0;
end
endcase
end
end
end
经过实测，SCK频率低于clk频率8倍以上，通信可靠稳定，测试芯片为XC3S50-TQ144，平台为ISE，clk为25MHz。
