FPGA设计中,对SPI进行参数化结构设计

原创 FPGA技术江湖 2024-04-02 08:01

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今天给大侠带来FPGA设计中,对SPI进行参数化结构设计,话不多说,上货。

为了避免每次SPI驱动重写,直接参数化,尽量一劳永逸。SPI master有啥用呢,你发现各种外围芯片的配置一般都是通过SPI配置的,只不过有三线和四线。SPI slave有什么用呢,当外部主机(cpu)要读取FPGA内部寄存器值,那就很有用了,FPGA寄存器就相当于RAM,cpu通过SPI寻址读写数据。代码仅供参考,勿做商业用途。


SPI salve

SPI salve支持功能:

  • 支持三线SPI或者四线SPI。通过define切换。                                 
  • 支持指令长度、帧长自定义。                               
  • 工作时钟可自定义,大于SPI clk的2倍。


用户只需修改:(1)几线SPI。(2)单帧长度。(3)指令长度。(4)寄存器开辟。

注意:指令最高bit表示读写,低写高读,其余bit表示地址。指令接着为数据端,两者位宽之和即为SPI单帧长。

//`define SPI_LINE  //是否是三线SPI`define SPI_FRAME_WIDTH 16 //SPI一帧长度为16`define SPI_INS_WIDTH 8    //SPI指令长`timescale 1ns/1ps////module spi_slave (    input     i_clk               , //work clk    input     i_rst_n             ,        input     i_spi_clk           , //SPI clk    input     i_spi_cs            , //SPI cs
`ifdef SPI_LINE //条件编译 inout io_spi_sdio `else input i_spi_mosi , //SPI mosi output o_spi_miso //SPI miso `endif );//位宽计算函数function integer clogb2 (input integer depth);begin for (clogb2=0; depth>0; clogb2=clogb2+1) depth = depth >>1; endendfunctionreg r_cs = 1'b1; //打一拍always @(posedge i_clk)begin r_cs <= i_spi_cs;endreg [1:0] r_spi_clk_edge = 2'b00; //SPI clk边沿检测always @(posedge i_clk)begin r_spi_clk_edge <= {r_spi_clk_edge[0],i_spi_clk};end //alwaysreg [clogb2(`SPI_FRAME_WIDTH-1)-1:0] r_spi_cnt = 'd0;always @(posedge i_clk)begin if (r_cs) //cs为高则归零 r_spi_cnt <= 'd0; else if (r_spi_clk_edge == 2'b10) //下降沿才计数 r_spi_cnt <= r_spi_cnt + 'd1;end////指令锁存reg [`SPI_INS_WIDTH-1:0] r_ins = 'd0;always @(posedge i_clk)begin if ((~r_cs) && (r_spi_clk_edge == 2'b01)) //上升沿锁存数据 begin if ((r_spi_cnt >= 0) && (r_spi_cnt <= `SPI_INS_WIDTH-1)) `ifdef SPI_LINE //条件编译 r_ins <= {r_ins[`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; `else r_ins <= {r_ins[`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; `endif end end////数值写入reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-1:0] r_data_rx = 'd0;always @(posedge i_clk)begin if ((~r_cs) && (r_spi_clk_edge == 2'b01)) //上升沿锁存数据 begin if (r_spi_cnt >= `SPI_INS_WIDTH) `ifdef SPI_LINE r_data_rx <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; `else r_data_rx <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; `endif endend////用户寄存器定义reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-1:0] r_reg0 = 'd0;reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-1:0] r_reg1 = 'd0;reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-1:0] r_reg2 = 'd0;reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-1:0] r_reg3 = 'd0;////always @(posedge i_clk,negedge i_rst_n)begin if (~i_rst_n) begin r_reg0 <= 'd0; r_reg1 <= 'd0; r_reg2 <= 'd0; r_reg3 <= 'd0;


end else if ((~r_ins[`SPI_INS_WIDTH-1]) && (r_spi_cnt == (`SPI_FRAME_WIDTH-1)) && (~r_cs) && (r_spi_clk_edge == 2'b01)) begin `ifdef SPI_LINE case (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-2:0]) 'd0:begin r_reg0 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; end 'd1:begin r_reg1 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; end 'd2:begin r_reg2 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; end 'd3:begin r_reg3 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; end



endcase `else case (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-2:0]) 'd0:begin r_reg0 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; end 'd1:begin r_reg1 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; end 'd2:begin r_reg2 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; end 'd3:begin r_reg3 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; end



endcase `endif end
end////寄存器值读出reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-1:0] r_data_tx = 'd0;always @(posedge i_clk)begin if (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-1] && (~r_cs) && (r_spi_clk_edge == 2'b10)) begin if (r_spi_cnt == (`SPI_INS_WIDTH-1)) begin case (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-2:0]) 'd0:begin r_data_tx <= r_reg0; end 'd1:begin r_data_tx <= r_reg1; end 'd2:begin r_data_tx <= r_reg2; end 'd3:begin r_data_tx <= r_reg3; end endcase end else r_data_tx <= {r_data_tx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],1'b0}; end end
////读取输出`ifdef SPI_LINEassign io_spi_sdio = (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-1]) ? (((r_spi_cnt>=`SPI_INS_WIDTH) && (r_spi_cnt<`SPI_FRAME_WIDTH)) ? r_data_tx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-1] : 1'bz) : 1'bz;`else assign o_spi_miso = ((r_spi_cnt>=`SPI_INS_WIDTH) && (r_spi_cnt<`SPI_FRAME_WIDTH)) ? r_data_tx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-1] : 1'b0;`endif
endmodule // end the spi_slave model


SPI master

spi master内部仅仅封装SPI驱动,写入值读出控制由上层控制,这部分逻辑很simple,不赘述。用户只需给入SPI帧及控制使能即可。

用户只需修改parameter参数:(1)单帧长;(2)指令长;(3)数据长;(4)工作时钟;(5)SPI clk。

实现不使用状态机,采用线性序列计数法。

//`define SPI_LINE  //是否是三线SPI`timescale 1ns/1psmodule spi_master #(parameter p_spi_frame_width = 16, //SPI单帧长度  parameter p_spi_ins_width = 8   , //指令长度  parameter p_spi_data_width = 8    //读出数据长度 )(    input                                i_clk             , //系统时钟    input                                i_rst_n           ,    input                                i_flag            , //检测到flag的上升沿则启动一次传输,一个时钟周期即可       input     [p_spi_frame_width-1:0]    i_spi_data        ,    output                               o_spi_cs          ,    output                               o_spi_clk         ,
`ifdef SPI_LINE //条件编译 inout io_spi_sdio , `else input i_spi_miso , //SPI miso output o_spi_mosi , //SPI mosi `endif output o_transfer_done , //单次传输完成 output [p_spi_data_width-1:0] o_spi_data //读取数据 );parameter p_clk_fre = 200; //XXM时钟频率parameter p_spi_clk_fre = 0.5*1000; //SPI 时钟速率,表示1Mparameter p_clk_div = p_clk_fre * 1000/p_spi_clk_fre/2-1;parameter p_spi_cnt_max = p_spi_frame_width*2-1;parameter p_spi_ins_max = p_spi_ins_width*2-1;//位宽计算函数function integer clogb2 (input integer depth);begin for (clogb2=0; depth>0; clogb2=clogb2+1) depth = depth >>1; endendfunction//把最大值赋值给线型,直接用p_clk_div仿真有问题,但实际上板是可以的wire [clogb2(p_clk_div)-1:0] w_clk_div;assign w_clk_div = p_clk_div;////时钟分频reg [clogb2(p_clk_div)-1:0] r_cnt_div = 'd0;always @(posedge i_clk)begin if (r_cnt_div == w_clk_div) r_cnt_div <= 'd0; else r_cnt_div <= r_cnt_div + 'd1;end //alwayswire w_clk_en; //分频时钟使能assign w_clk_en = (r_cnt_div == w_clk_div) ? 1'b1 : 1'b0;reg [1:0] r_flag_edge = 2'b00;reg [clogb2(p_spi_cnt_max)-1:0] r_spi_cnt = 'd0;always @(posedge i_clk) //flag边沿检测begin r_flag_edge <= {r_flag_edge[0],i_flag};end//flag信号展宽到低速时钟域reg r_flag_enlarge = 1'b0;always @(posedge i_clk)begin if (r_flag_edge == 2'b01) //上升沿拉高 r_flag_enlarge <= 1'b1; else if (r_spi_cnt == p_spi_ins_max) //足够长的高电平才拉低 r_flag_enlarge <= 1'b0;endreg [1:0] r_flag_enlarge_edge = 2'b00;always @(posedge i_clk)begin if (w_clk_en) r_flag_enlarge_edge <= {r_flag_enlarge_edge[0],r_flag_enlarge};endreg r_cs = 1'b1;always @(posedge i_clk)begin if (w_clk_en) begin if (r_flag_enlarge_edge == 2'b01) //检测到需要进行SPI操作 r_cs <= 1'b0; else if (r_spi_cnt == p_spi_cnt_max) //计数到最大值表示一次SPI完成 r_cs <= 1'b1; endendalways @(posedge i_clk)begin if (w_clk_en) begin if(~r_cs) //在操作区间计数 r_spi_cnt <= r_spi_cnt + 'd1; else r_spi_cnt <= 'd0; end end////数据传输段reg [p_spi_frame_width-1:0] r_data = 'd0;always @(posedge i_clk)begin if (w_clk_en) begin if (r_flag_enlarge_edge == 2'b01) //上升沿刷入 r_data <= i_spi_data; else if (r_spi_cnt[0] == 1'b1) //数据移动 r_data <= {r_data[p_spi_frame_width-2:0],1'b1}; endend////数据读取段reg [p_spi_data_width-1:0] r_data_read = 'd0;always @(posedge i_clk)begin if (w_clk_en) begin if (i_spi_data[p_spi_frame_width-1] && (r_spi_cnt > p_spi_ins_max) && (r_spi_cnt[0] == 1'b0)) //是读 `ifdef SPI_LINE r_data_read <= {r_data_read[p_spi_data_width-2:0],io_spi_sdio}; `else r_data_read <= {r_data_read[p_spi_data_width-2:0],i_spi_miso}; `endif end end////SPI输出段assign o_spi_cs = r_cs;assign o_spi_clk = r_cs ? 1'b0 : r_spi_cnt[0];////SPI SDIO的输入输出切换`ifdef SPI_LINEassign io_spi_sdio = (i_spi_data[p_spi_frame_width-1]) ? (((r_spi_cnt >= 'd0) && (r_spi_cnt <= p_spi_ins_max)) ? r_data[p_spi_frame_width-1] : 1'bz ) : r_data[p_spi_frame_width-1];`else assign o_spi_mosi = r_data[p_spi_frame_width-1];`endif assign o_transfer_done = ((~r_cs) && (r_spi_cnt == p_spi_cnt_max)) ? 1'b1:1'b0;assign o_spi_data = r_data_read;
endmodule // end the spi_master model


仿真如下所示:写入四个寄存器值,再读出。

仿真代码如下:

`define TRANSFER_NUMBER 8 //操作数为4`define DATA 8'ha5//`define SPI_LINEtimeunit 1ns;timeprecision 1ps;module top;parameter p_sim_end_time = 1000000; //nslogic l_clk = 1'b0;always #2.5 l_clk = ~l_clk;////复位logic l_rst_n  = 1'b0;initial begin    #100 l_rst_n = 1'b1;end

wire io_sdio;wire o_spi_cs;wire o_spi_clk;wire o_transfer_done;wire [7:0] o_spi_data;////多个数据操作模式reg r_flag = 1'b0;reg [1:0] r_first_cnt = 2'b00;always @(posedge l_clk,negedge l_rst_n)begin if (~l_rst_n) r_first_cnt <= 2'b00; else if (r_first_cnt == 2'd3) r_first_cnt <= r_first_cnt; else r_first_cnt <= r_first_cnt + 2'd1;endreg [1:0] r_transfer_done_edge = 2'b00;always @(posedge l_clk)begin r_transfer_done_edge <= {r_transfer_done_edge[0],o_transfer_done};endreg [3:0] r_transfer_cnt = 4'd0;always @(posedge l_clk)begin if ((r_first_cnt == 2'd2) && (r_transfer_cnt < `TRANSFER_NUMBER)) r_flag <= 1'b1; else if ((r_transfer_done_edge == 2'b10) && (r_transfer_cnt < `TRANSFER_NUMBER-1)) r_flag <= 1'b1; else r_flag <= 1'b0; endalways @(posedge l_clk)begin if (r_transfer_done_edge == 2'b10) r_transfer_cnt <= r_transfer_cnt + 'd1;endreg [15:0] r_in_data = 16'd0;always @(*)begin if (~l_rst_n) //仿真不执行此段仿真会有问题 r_in_data = 16'h0000; else begin case(r_transfer_cnt) 4'd0:begin r_in_data = {8'h00,8'h43}; end 4'd1:begin r_in_data = 16'h0132; end 4'd2:begin r_in_data = 16'h0245; end 4'd3:begin r_in_data = 16'h0367; end 4'd4:begin r_in_data = 16'h8000; end 4'd5:begin r_in_data = 16'h8100; end 4'd6:begin r_in_data = 16'h8200; end 4'd7:begin r_in_data = 16'h8300; end
default:begin r_in_data = 16'h0000; end endcase end end
wire w_spi_miso;wire w_spi_mosi;
spi_master inst_spi_master ( .i_clk (l_clk), .i_rst_n (), .i_flag (r_flag), .i_spi_data (r_in_data), .o_spi_cs (o_spi_cs), .o_spi_clk (o_spi_clk), `ifdef SPI_LINE .io_spi_sdio (io_sdio), `else .i_spi_miso (w_spi_miso), .o_spi_mosi (w_spi_mosi), `endif .o_transfer_done (o_transfer_done), .o_spi_data (o_spi_data) );
spi_slave inst_spi_slave ( .i_clk (l_clk), .i_rst_n (l_rst_n),
.i_spi_clk (o_spi_clk), .i_spi_cs (o_spi_cs), `ifdef SPI_LINE .io_spi_sdio (io_sdio) `else .i_spi_mosi (w_spi_mosi), .o_spi_miso (w_spi_miso) `endif
);
initial begin #p_sim_end_time $stop;end
endmodule


三线SPI:


四线SPI:


可以看到读写是一致的,验证通过。

- THE END -

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评论
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