如何利用现成IP不写代码实现三线制SPI？

最近使用ZYNQ做一个高速数据采集，需要访问一个ADI的高速模数采样芯片，该芯片是利用三线制实现读以及写的功能。三线制实现写通信或许大家都经常会这样用，三线制实现读/写或许有的朋友就未曾这样用过。今天就分享一下利用现成IP不写任何代码怎么实现三线制SPI。

背景ADI很多芯片都采用三线制SPI进行控制，以AD9467为例，AD9467是一款 pipeline架构16位高速ADC芯片，采样率高达250MSPS。在一些复杂系统中其应用领域比较广泛：

多载波，多模式蜂窝接收机

天线阵列定位

功率放大器线性化

无线宽带通信系统

雷达系统

红外成像系统

通讯仪表系统等

从芯片框图，大致可以看出，该芯片主要由以下部分组成：

三线制SPI通信接口，实现芯片的寄存器读写控制。主要用于芯片模式配置。

LVDS接口：则负责数据的对外传输，遵循ANSI-644 标准。

CLK+/CLK-：为输入时钟，时钟之于数字芯片相当于心脏之于人，一切的动作都是由时钟驱动的。

VIN+/VIN- ：差分输入，模拟信号输入通道。

对于芯片的其他部分，不是本文介绍的重点，这里来看看其SPI的通信时序图：

结合SPI模式时序图：

在上升沿采样

下一位数据在CLK低期间变换

故，CPOL=0，CPHA=0.

另外，第一个bit用于标识本次报文你发起的是读还是写操作，这种设计是不是有点类似I2C标准中的读写位？

柳暗花明那么问题来了，我们需要做的SPI通信需要实现三线制SPI进行读以及写：

如果用单片机编程IO口去翻比较容易，但是要实现高速AD数据传输，常规的单片机就捉襟见肘了。LVDS接口的数据吞吐率很难做到。

如果使用ZYNQ内置的SPI外设也很容易，该外设很容易配成三线制模式。很不幸，外设引脚基本用掉了。不过可以考虑用EMIO把相应的脚从PL端拉出去。

如果利用ZYNQ PS端的GPIO也可以做到，也很不幸，做的板子PS端GPIO所剩无几。

利用赛灵思的AXI Quad SPI IP在PL端去实现。折腾一段时间，发现这个IP貌似不支持三线制SPI。

自己用verilog HDL写个IP挂在AXI总线上，实现Linux设备驱动，这个方案可以。可惜，比较懒，不想重新造轮子！

。。.。。.。

经过一番折腾，在ADI官方发现了一个宝藏：

https://wiki.analog.com/resources/fpga/peripherals/spi_engine

官方实现了SPI engine IP 框架：

执行模块 Execution Module：主模块，用于处理SPI引擎命令流并实现SPI总线接口逻辑

AXI接口模块：内存映射软件可访问SPI引擎命令流和/或卸载核心的接口

Offload模块：存储SPI引擎命令流，由外部事件触发执行

互连Interconnect 模块：将多个SPI Engine命令流连接到SPI Engine执行模块

其verilog HDL代码库位于：

https://github.com/analogdevicesinc/hdl.git

PS/PL设计下好hdl库，按照向导将库make，执行对应的tcl脚本，生成了hdl库相应所需文件。然后按照需要设计以下block设计：

将PS端的DDR以及PL所需的时钟FCLK_CLK0配置好，这里输出100MHz

从ip库里拉出来axi_spi_engine_v1_0以及spi_engine_execution_v1_0，按照上面图连好线

连好AXI接口，以及相应的复位、时钟信号等

设置需要几个片选信号，可根据需要几个从芯片可以设置多个片选信号，比如我设置2个，这样在linux设备树上就对应挂载两个设备。

然后在顶层设计文件进行例化，这里问题来了，spi_1还是4个脚，如果就这样拉出到PL端的引脚上，还是四线制，那么该怎么改呢？

看看wiki中图以及描述，发现需要还需要在转一下：

如果是三线模式时，three_wire会变成1，这个通过AXI总线命令传过来。

sdo_t则可以控制sdo内部信号是否输出，如果门控关断则mosi脚变成高阻，可以采样外部信号，从而传入可以通过2路选择器传入sdi转而为读信号。

从而添加如下代码在顶层文件：

assign phy_sclk = spi_sclk;assign phy_cs = spi_cs;assign phy_mosi = spi_sdo_t ？ 1‘bz ： spi_sdo;assign spi_sdi = spi_three_wire ？ phy_mosi ： phy_miso;

比如，我是这样写的：

`timescale 1ns / 100ps//顶层设计文件module system_top （//DDR信号inout ［14:0］ ddr_addr，inout ［ 2:0］ ddr_ba，inout ddr_cas_n，inout ddr_ck_n，inout ddr_ck_p，inout ddr_cke，inout ddr_cs_n，inout ［ 3:0］ ddr_dm，inout ［31:0］ ddr_dq，inout ［ 3:0］ ddr_dqs_n，inout ［ 3:0］ ddr_dqs_p，inout ddr_odt，inout ddr_ras_n，inout ddr_reset_n，inout ddr_we_n，//必须的一些PS信号inout fixed_io_ddr_vrn，inout fixed_io_ddr_vrp，//54个PS MIO引脚inout ［53:0］ fixed_io_mio，//PS时钟引脚inout fixed_io_ps_clk，//PS上电复位信号inout fixed_io_ps_porb，//PS SRSTB信号inout fixed_io_ps_srstb，output ［1:0］ spi_0_cs，output spi_0_sclk，input spi_0_sdi，output spi_0_sdo，）; wire ip_spi_0_cs;wire ip_spi_0_sclk;wire ip_spi_0_sdi;wire ip_spi_0_sdo;wire ip_spi_0_three_wire; wire ip_spi_0_sdo_t;assign spi_0_cs = ip_spi_0_cs;assign spi_0_sclk = ip_spi_0_sclk;//如此处理，这样引出的SPI可以兼容3线制以及4线制SPIassign spi_0_sdo = ip_spi_0_sdo_t ？ 1’bz ： ip_spi_0_sdo;assign ip_spi_0_sdi = ip_spi_0_three_wire ？ spi_0_sdo ： spi_0_sdi;//例化block设计ip_block_wrapper i_system_wrapper （ //DDR以及常规MIO、时钟、复位等信号 .DDR_addr（ddr_addr）， .DDR_ba（ddr_ba）， .DDR_cas_n（ddr_cas_n）， .DDR_ck_n（ddr_ck_n）， .DDR_ck_p（ddr_ck_p）， .DDR_cke（ddr_cke）， .DDR_cs_n（ddr_cs_n）， .DDR_dm（ddr_dm）， .DDR_dq（ddr_dq）， .DDR_dqs_n（ddr_dqs_n）， .DDR_dqs_p（ddr_dqs_p）， .DDR_odt（ddr_odt）， .DDR_ras_n（ddr_ras_n）， .DDR_reset_n（ddr_reset_n）， .DDR_we_n（ddr_we_n）， .FIXED_IO_ddr_vrn（fixed_io_ddr_vrn）， .FIXED_IO_ddr_vrp（fixed_io_ddr_vrp）， .FIXED_IO_mio（fixed_io_mio）， .FIXED_IO_ps_clk（fixed_io_ps_clk）， .FIXED_IO_ps_porb（fixed_io_ps_porb）， .FIXED_IO_ps_srstb（fixed_io_ps_srstb）， //连至顶层 .spi_0_cs（ip_spi_0_cs）， .spi_0_sclk（ip_spi_0_sclk）， .spi_0_sdi（ip_spi_0_sdi）， .spi_0_sdo（ip_spi_0_sdo）， .spi_0_sdo_t（ip_spi_0_sdo_t）， .spi_0_three_wire（ip_spi_0_three_wire） ）; endmodule

Linux端配置首先需要配置设备树：

&axi_spi_engine_0 { status = “okay”; //配置SPI控制器匹配字段，这样会自动编译ADI 提供的SPI 控制器驱动 compatible = “adi，axi-spi-engine-1.00.a”; spi-rx-bus-width = 《1》; spi-tx-bus-width = 《1》; bits-per-word = 《8》; interrupt-parent = 《&intc》; interrupts = 《0 30 4》; num-cs = 《4》; #address-cells = 《0x1》; #size-cells = 《0x0》; ad9467_0： ad9467@0 { compatible = “adi，ad9467”; reg = 《0》; spi-max-frequency = 《500000》; #address-cells = 《1》; #size-cells = 《1》; spi-rx-bus-width = 《1》; spi-tx-bus-width = 《1》; bits-per-word = 《8》; spi-3wire; }; ad9467_1： ad9467@1 { compatible = “spidev”; reg = 《1》; spi-max-frequency = 《500000》; #address-cells = 《1》; #size-cells = 《1》; spi-rx-bus-width = 《1》; spi-tx-bus-width = 《1》; bits-per-word = 《8》; //这个字段需要使能，表示该设备是三线制 spi-3wire; }; };

配置相应的SPI控制器驱动，然后编译部署。由于该demo涉及些项目其他的技术细节，这里就不描述了，来看看疗效：

看这个波形或许会有朋友问：为啥数据发送结束，SDO/SDI复用脚波形有一个上升的渐变暂态过程，这是由于此时从端芯片从输出态转为高阻态，而主端芯片此时也是高阻态，由于线路电容效应故而会有这样一个变化过程。

总结一下利用ADI提高的IP库，不用敲一行代码可以很容易就实现了三线制SPI，香吧？该方案可以同时兼容三线制/四线制SPI，是一个成熟稳定的方案。为什么ZYNQ芯片这样一款SOC芯片以及Linux会被人喜欢，由此可见一斑。因为有大量成熟的轮子可供使用，而不必自己去造轮子。从而加速产品的研发进度，使用户可以专注于自己需要解决的应用问题。

责任编辑：haq