全功能SPI接口的設計與實(shí)現

摘要：SPI(Serial Peripheral Interface，串行外圍接口)是Motorola公司提出的外圍接口協(xié)議，它采用一個(gè)串行、同步、全雙工的通信方式，解決了微處理器和外設之間的串行通信問(wèn)題，并且可以和多個(gè)外設直接通信，具有配置靈活，結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。根據全功能SPI總線(xiàn)的特點(diǎn)，設計的SPI接口可以最大發(fā)送和接收16位數據；在主模式和從模式下SPI模塊的時(shí)鐘頻率最大可以達到系統時(shí)鐘的1／4，并且在主模式下可以提供具有四種不同相位和極性的時(shí)鐘供從模塊選擇；可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收操作，擁有中斷標志位和溢出中斷標志位。
關(guān)鍵詞：全功能SPI；時(shí)鐘極性和相位；串行通信；微處理器；中斷控制

SPI串行通信接口是一種常用的標準接口，由于其使用簡(jiǎn)單方便且節省系統資源，很多芯片都支持該接口，應用相當廣泛。但是現有文獻和設計多數僅實(shí)現了SPI接口的基本發(fā)送和接收功能，對SPI接口的時(shí)序控制沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。全功能SPI接口應具有四種不同的時(shí)鐘模式，以適應具有不同時(shí)序要求的從控制器。文中主要研究SPI接口的時(shí)鐘時(shí)序，并用具體電路實(shí)現具有4種不同極性和相位的時(shí)鐘，最后通過(guò)仿真驗證和FPGA驗證。

1 SPI控制器典型結構
SPI模塊中的典型結構是用于通信的主從2個(gè)控制器之間的連接，如圖1所示。由串行時(shí)鐘線(xiàn)(SPICLK)、主機輸入從機輸出線(xiàn)(SPISOMI)、主機輸出從機輸入線(xiàn)(SPISIMO)、SPl選通線(xiàn)(SPSTE)4條線(xiàn)組成。當CPU通過(guò)譯碼向主控制器寫(xiě)入要傳輸的數據時(shí)，主控制器通過(guò)串行時(shí)鐘線(xiàn)來(lái)啟動(dòng)數據傳輸，將會(huì )在串行時(shí)鐘線(xiàn)的一個(gè)邊沿將數據移出移位寄存器，而在串行時(shí)鐘的另一個(gè)邊沿將數據鎖存在移位寄存器中。SPI選通線(xiàn)是SPI控制器的使能端，可以選擇多個(gè)從機，實(shí)現一主多從的結構，只要SPI選通信號將要選的從機處的選通信號變?yōu)榈碗娖骄湍軌蜻B接成功。

2 全功能SPI控制器設計
2．1 SPI控制器內部結構
SPI控制器的原理框圖如圖2所示，其中主要包括：

1)SPI控制器的內部寄存器
SPI操作控制寄存器(SPICTL)，SPI狀態(tài)寄存器(SPISTS)，SPI波特率設計寄存器(SPIBRR)，SPI接收緩沖寄存器(SPIRXBUF)，SPI發(fā)送緩沖寄存器(SPITXBUF)，SPI串行數據寄存器(SPIDAT)，SPI中斷優(yōu)先級控制寄存器(SPIPRI)。
2)SPI控制器內的功能模塊
時(shí)鐘分頻模塊(Frequency Divider)，內部時(shí)鐘產(chǎn)生電路(Clk_Occur)，狀態(tài)控制機(Srate Control)，中斷控制(IntContro1)，測試模塊(Test)，輸出控制模塊(Dateout Control)。
2．2 SPI控制器工作原理
圖2給出了SPI控制器的基本原理框圖。SPI控制器可工作在主模式和從模式下，由于在主模式下需要提供相應的時(shí)鐘給從控制器，較從模式下工作更為復雜，所以將用工作在主模式下的SPI控制器描述內部工作原理。
在開(kāi)始傳送數據前，需將SPI控制器進(jìn)行配置，設定時(shí)鐘波特率(SPIBPR)，時(shí)鐘相位和極性，需要傳送的字符位數(SPICCR)?；九渲媒Y束后，向SPITXBUF和SPIDAT2個(gè)寄存器內寫(xiě)入要傳送的數據時(shí)，將會(huì )起動(dòng)一次發(fā)送和接收操作。如果有正在傳送的數據，向SPITXBUF內寫(xiě)入數據，新的數據將在當前數據傳送結束后自動(dòng)進(jìn)行發(fā)送和接收操作。