FPGA入门系列15--SPI总线介绍

本系列文章主要针对FPGA初学者编写，包括FPGA的模块书写、基础语法、状态机、RAM、UART、SPI、VGA、以及功能验证等。将每一个知识点作为一个章节进行讲解，旨在更快速的提升初学者在FPGA开发方面的能力，每一个章节中都有针对性的代码书写以及代码的讲解，可作为读者参考。

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第十六章：SPI

SPI简介

电子系统设计中，往往被IIC/SPI/UART等总线搞的晕头转向，本文详细介绍SPI总线的接口协议和应用。

SPI总线是一种同步串行外设接口，它可以使MCU/FPGA/DSP等控制器与各种外围设备以串行方式进行通信。其具有通信速度快，同步设计以及控制协议简单等特点，是电子系统设计的常用选择之一。很多芯片的控制都提供SPI接口。

SPI 是英语 Serial Peripheral Interface 的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，最早由Motorola提出的。由于其简单易用的特性，现在很多的芯片都集成了SPI通信协议。

SPI传输串行数据时首先传输最高位。波特率可以高达5Mbps，具体速度大小取决于SPI硬件。例如，Xicor公司的SPI串行器件传输速度能达到5MHz。

SPI flash 芯片应用十分广泛，在很多电子产品上面或多或少都有它的踪影，如手机、数码、液晶显示器、机顶盒、电脑主板等。主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器等,也是很多复杂芯片参数配置的常用接口。

SPI总线介绍

SPI 接口一般使用 4 条线通信，包括片选线（cs_n）、时钟线（sclk/sck）、输入数据线（sdi/miso） 和输出数据线（sdo/mosi）：

SCLK：串行时钟线，由主设备产生；

MISO：主设备数据输入，从设备输出；

MOSI：主设备数据输出，从设备输入；

CS：从设备片选信号，由主设备控制。

其中CS是片选信号，可以预先规定其为高使能或者低使能有效时，对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备。

SPI接口在Master控制下产生的从器件使能信号和时钟信号，两个双向移位寄存器按位传输进行数据交换，传输数据高位在前，低位在后（MSB）。在SCK的下降沿数据改变，上升沿一位数据被存入移位寄存器，如图所示：

SPI总线通信特点

1.采用主-从模式(Master-Slave) 的控制方式

SPI 规定了两个 SPI 设备之间通信必须由主设备 (Master) 来控制从设备 (Slave). 一个 Master 设备可以通过提供 Clock 以及对 Slave 设备进行片选来控制多个 Slave 设备。

2.采用同步方式(Synchronous)传输数据

Master 设备会根据将要交换的数据来产生相应的时钟脉冲(Clock Pulse), 时钟脉冲组成了时钟信号(Clock Signal) , 时钟信号通过时钟极性 (CPOL) 和 时钟相位 (CPHA) 控制着两个 SPI 设备间何时数据交换以及何时对接收到的数据进行采样, 来保证数据在两个设备之间是同步传输的。

3.数据交换(Data Exchanges)

SPI设备间的数据传输之所以又被称为数据交换, 是因为 SPI 协议规定一个 SPI 设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个"发送(Transmitter)" 或者 "接收者(Receiver)". 在每个 Clock 周期内, SPI 设备都会发送并接收一个 bit 大小的数据, 相当于该设备有一个 bit 大小的数据被交换了。

SPI FLASH读写介绍

对flash芯片的操作，一般包括对flash芯片的擦除，编程和读取，各大厂商的SPI flash芯片都大同小异，操作命令基本是没什么变化的，当我们拿到一款芯片，要特别注意芯片的容量，操作分区等。

其实，无论是对芯片的擦除，编程还是读取操作，我们大致可以按照以下的套路来：写命令---写地址---写（读）数据。正如以下的时序图一样清晰明了，我们先把片选信号拉低，再依次写指令，地址和数据，就可以对FLASH芯片进行操作。

在第十七章中将通过SPI总线控制Flash为例讲解擦除的实现。

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