基于SPI串行总线接口的Verilog实现

简 介：

集成电路设计越来越向系统级的方向发展，并且越来越强调模块化的设计。SPI（Serial Peripheral Bus）总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口，容许CPU 与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息。本文简述了SPI总线的特点，介绍了其4条信号线，SPI串行总线接口的典型应用。

重点描述了SPI串行总线接口在一款802.11b芯片中的位置，及该接口作为基带和射频的通讯接口所完成的功能，并给出了用硬件描述语言Verilog HDL 实现该接口的部分程序。该实现已经在Modelsim 中完成了仿真， 并经过了FPGA 验证， 最后给出了仿真和验证的结果。

在SOC设计中，利用EDA 工具设计芯片实现系统功能已经成为支撑电子设计的通用平台。并逐步向支持系统级的设计方向发展。而且，在设计过程中，越来越强调模块化设计。

SPI总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口，具有接口线少、通讯效率高等特点。本文给出的是利用Verilog HDL实现的SPI总线模块，该模块是802.11b无线局域网芯片中一个子模块，该模块完成了芯片中基带（base band）与RF的通讯工作。

1 SPI总线接口概述

SPI（Serial Parallel Bus）总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口，允许CPU 与各种外围接口器件（包括模/数转换器、数/模转换器、液晶显示驱动器等）以串行方式进行通信、交换信息。他使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出线（MISO）、主机输出/从机输入线（MOSI）、低电平有效的使能信号线（CS）。这样，仅需3～4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I/O器件 其典型结构如图1所示。

SPI总线具有以下特点：

（1）连线较少，简化电路设计。并行总线扩展方法通常需要8根数据线、8～16根地址线、2～3根控制线。而这种设计，仅需4根数据和控制线即可完成并行扩展所实现的功能。

（2）器件统一编址，并与系统地址无关，操作SPI独立性好。

（3）器件操作遵循统一的规范，使系统软硬件具有良好的通用性。

2 SPI总线接口的设计与实现

该模块是802.1lb无线局域网芯片中的一子模块，其在芯片中的位置如图2所示。

其中base band（基带）为SPI的主控器（master），RF（射频）为SPI的受控器（slave）。SPI interface作为baseband与RF的通讯接口，主要完成以下工作：

（1）将从base band接收到的16位的并行数据，转换为RF所能接收的串行数据，并将该数据根据SPI协议送给RF。

（2）产生RF所需的时钟信号SCLK，使能信号CSB。

（3）接收从RF传回的串行数据，并将其转换为并行数据。

（4）将base band发送的数据，与RF返回的数据进行比较，并把比较结果传给base band。

下面给出用Verilog HDL语言实现前两项功能的关键程序，相关变量的声明在此略去。

//generate a counter

always@ （posedge clock or negedge reset）

begin

if（！reset）

counter《= 0;

else if（enable）

begin

if（counter《 53）

counter=counter + 1;

end

end

//generate signal “csb”

always@ （posedge clock or negedge reset）

begin

if（！reset）

csb 《=1;

else if（counter》= 1 && counter 《= 50）

csb = 0;

else

csb = 1;

end

//Generate “sclk”

always@ （posedge clock or negedge reset）

begin

case（counter）

6‘d02： sclk = 1;

6’d05： sclk = 1;

6‘d08： sclk = 1;

6’d11： sclk = 1;

6‘d14： sclk = 1;

6’d17： sclk = 1;

6‘d20： sclk = 1;

6’d23： sclk = 1;

6‘d26： sclk = 1;

6’d29： sclk = 1;

6‘d32： sclk = 1;

6’d35： sclk = 1;

6‘d38： sclk = 1;

6’d41： sclk = 1;

6‘d44： sclk = 1;

6’d47： sclk = 1;

default sclk = 0;

endcase

end

always@ （counter or csb）

begin

if（csb == 0）

case（counter）

6‘h00，

6’h01，

6‘h02，

6’h03:mosi_index = 5‘h00;

6’h04，

6‘h05，

6’h06:mosi_index = 5‘h01;

6’h07，

6‘h08，

6’h09:mosi_index = 5‘h02;

6’h0A，

6‘h0B，

6’h0C:mosi_index = 5‘h03;

6’h0D，

6‘h0E，

6’h0F:mosi_index = 5‘h04;

6’h10，

6‘h11，

6’h12:mosi_index = 5‘h05;

6’h13，

6‘h14，

6’h15:mosi_index = 5‘h06;

6’h16，

6‘h17，

6’h18:mosi_index = 5‘h07;

6’h19，

6‘h1A，

6’h1B:mosi_index = 5‘h08;

6’h1C，

6‘h1D，

6’hlE:mosi_index = 5‘h09;

6’h1F，

6‘h20，

6’h21:mosi_index = 5‘h0A ;

6’h22，

6‘h23，

6’h24:mosi_index = 5‘h0B;

6’h25，

6‘h26，

6’h27:mosi_index = 5‘h0C ;

6’h28，

6‘h29，

6’h2A:mosi_index = 5‘h0D ;

6’h2B，

6‘h2C，

6’h2D:mosi_index = 5‘h0E;

6’h2E，

6‘h2F，

6’h30:mosi_index = 5‘h0F;

default:mosi_index = 5’h00;

endcase

else

mosi_index = 5‘h00：

end

assign mosi=spi_data［mosi_index3］;

用Verilog HDL实现的SPI总线接口模块，在ModelSim 中编译、调试，并做了前仿真。

前仿真通过后，又在Altera公司的EPXA10 Develop Board上做了FPGA验证，结果与在ModelSim 中的仿真结果一致。最后在base band与RF的联合调试过程中，该SPI总线接口模块达到了预期的要求。

编辑：jq