串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）

vishva等级-LV2-ChipDebug10个月前更新
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上一章介绍的SPI比较详细，这篇文章将会简化讲解SPI的时序，并且联系代码（VHDL）来详细讲解SPI（PS：下次一定是Verilog，不出意外应该讲QSPI控制器，或者FIFO，也可能是I2C，总之基础的接口都会有计划，以后会加深比较有难度的项目，大家看到错误或者有不懂的可以Q群反馈或公众号反馈），可能大家在网上都看过很多的关于SPI的教程和代码，不知道大家有没有在实际的项目中进行数据传输的测试。我看过很多的代码，都基本实现了功能，但兼容性都不算很好，甚至可以说局限性非常大，仅能面向某个特殊的应用，一个好的代码需要考虑能否通过调整参数来适应不同的应用场景，比如能否通过调整参数实现主从模式的切换，能否通过调整参数来实现四种基本模式的切换，能否通过调整参数来适应不同从机数的改变等等，下面废话不多说直接进入主题。

一、SPI的介绍

    1.1基本四线介绍

图片[1]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

图1-1基本的接线图

SPI外部一共有四根线：SCLK、MOSI、MISO、SS（CS）

SCLK：SPI的时钟线，由主机提供。

MOSI：主机输出/从机输入数据

MISO：主机输入/从机输出

SS/CS：从器件选择引脚

图片[2]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

            图1-2 使用拓扑结构的主器件和三个独立的从器件

    1.2 时序的介绍

图片[3]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

图1-3时序图

    图1-3是显示时钟极性和相位的时序图，红色表示时钟前沿，蓝色线表示时钟后沿，下面具体介绍

CPOL确定时钟极性

CPOL = 0 表示SPI时钟为低电平（SCLK=0）为空闲状态，那么有效状态就是SCLK处于高电平时。
CPOL = 1  表示SPI时钟为高电平（SCLK=1）为空闲状态，那么有效状态就是SCLK处于低电平时。

CPHA确定相对于时钟脉冲的数据位的时序

CPHA=0数据采样在时钟周期的第一个时钟边缘，数据发送在时钟周期的第二个时钟边缘

CPHA=0数据采样在时钟周期的第二个时钟边缘，数据发送在时钟周期的第一个时钟边缘


模式0：CPOL= 0，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿发送
模式1：CPOL= 0，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿发送
模式2：CPOL= 1，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿发送
模式3：CPOL= 1，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿发送

图片[4]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

图1-4 模式总结表格

图片[5]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

      图1-5数据传输方式（以8位数据为例）

如图1-5所示的，主机在发送数据时是从高位传输到从机的低位，而从机的高位数据则是传输到主机的低位。

 二、代码的详解

    将上一章的SPI介绍精简化再介绍一下，如果想详细了解SPI可以看前一章的文章。看完这些基本的介绍，大家有没有想过要怎么写代码呢？下面将以FPGA为从机的SPI代码作为例子来详细讲解如何写SPI的代码。

我们了解时序后首先要有个基本概念和整体的逻辑架构，我们需要做什么才能写出代码？那么需要思考以下的一些问题：

（1）根据时序需要知道SPI的采样是在时钟的前沿和后沿，但如何捕获SPI时钟的前后沿？时钟的前后沿标志位怎么得出？

（2）传输的数据位（比如8位）怎么知道传输数据已经有8位了？如何确定一个字节最后一位字的数据标志位。

（3）在传输数据过程中移位寄存器忙的标志怎么确定？

（4）移位寄存器又应该怎么移位？

如果知道这些，其它的一些信号的设置都是一些细枝末节。

下面我们根据每一段代码（VHDL）来进行讲解

图片[6]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

以SPI的模式0为例讲解，上图是实体声明，基本的系统时钟以及复位信号，其它的两个就是SPI标准的四线接口以及用户接口，如果是入门的朋友，可以先不关注信号口的定义，下面的模块会更加清晰的讲清楚各个信号的内涵。

图片[7]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

上图是模块的结构体声明，这些信号还是一样后续会做详细的讲解

图片[8]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

     SPI的寄存器是为了获取SPI时钟（SCLK）的边沿，因为有了时钟的边沿才能获得传输数据的标志，这个模块将捕获SPI时钟的上升沿和下降沿，原理也很简单，当系统时钟上升沿来时，将SCLK给spi_clk_reg寄存器，那么SCLK和spi_clk_reg寄存器恰好相差一个系统时钟周期（CLK），如此将SCLK和not spi_clk_reg取个逻辑与便可以得到SCLK的上升沿，下降沿同理。

图片[9]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

    这个模块主要是为了计算传输了多少位的数据，这里是每计数到8位就把bit_cnt_max赋值为1，而bit_cnt赋值为0。

图片[10]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

    上面的模块是获得一个字节最后一个字传输完成的标志位，这个标志就是计数寄存器最大值为1时，而数据有效的标志则是捕捉到SCLK的下降沿以及获得最后一位数据传输完成的标志信息。

图片[11]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

    这个模块主要功能就是获得移位寄存器的忙标志，以及从机准备好接受数据的标志信号和加载数据使能信号。

图片[12]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

图片[13]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

    这两段代码主要利用移位寄存器来传输数据，这个逻辑用语言描述的话可能很累赘，所以我把前面的主从数据传输的示意图再次贴到下面，理解了这个图，这个移位寄存器的原理基本也就懂了，当然这个只是一种传输数据的方式，也可以通过其它方式

图片[5]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

三、从机的仿真图

图片[15]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

主机的仿真图也贴上（具体的仿真请大家获取代码自行用modelsim仿真）

图片[16]-串行外设接口SPI基于VHDL代码（二）-FPGA CPLD资料源码分享论坛-FPGA CPLD-ChipDebug

总结：讲解的是基于VHDL的从机的代码，包含测试代码，大家获得代码可以先看从机的代码，相对简单，获取完整（包含主机从机）代码:

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