全功能SPI接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shè)之間的串行通信問(wèn)題，并且可以和多個(gè)外設(shè)直接通信，具有配置靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)全功能SPI總線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的SPI接口可以最大發(fā)送和接收16位數(shù)據(jù)；在主模式和從模式下SPI模塊的時(shí)鐘頻率最大可以達(dá)到系統(tǒng)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(biāo)志位和溢出中斷標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)接口，由于其使用簡(jiǎn)單方便且節(jié)省系統(tǒng)資源，很多芯片都支持該接口，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是現(xiàn)有文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)多數(shù)僅實(shí)現(xiàn)了SPI接口的基本發(fā)送和接收功能，對(duì)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(yīng)具有四種不同的時(shí)鐘模式，以適應(yīng)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(xiàn)具有4種不同極性和相位的時(shí)鐘，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證和FPGA驗(yàn)證。

1 SPI控制器典型結(jié)構(gòu)
SPI模塊中的典型結(jié)構(gòu)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(SPICLK)、主機(jī)輸入從機(jī)輸出線(SPISOMI)、主機(jī)輸出從機(jī)輸入線(SPISIMO)、SPl選通線(SPSTE)4條線組成。當(dāng)CPU通過(guò)譯碼向主控制器寫入要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，主控制器通過(guò)串行時(shí)鐘線來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，將會(huì)在串行時(shí)鐘線的一個(gè)邊沿將數(shù)據(jù)移出移位寄存器，而在串行時(shí)鐘的另一個(gè)邊沿將數(shù)據(jù)鎖存在移位寄存器中。SPI選通線是SPI控制器的使能端，可以選擇多個(gè)從機(jī)，實(shí)現(xiàn)一主多從的結(jié)構(gòu)，只要SPI選通信號(hào)將要選的從機(jī)處的選通信號(hào)變?yōu)榈碗娖骄湍軌蜻B接成功。

2 全功能SPI控制器設(shè)計(jì)
2．1 SPI控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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(nèi)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(shè)計(jì)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(shù)據(jù)寄存器(SPIDAT)，SPI中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器(SPIPRI)。
2)SPI控制器內(nèi)的功能模塊
時(shí)鐘分頻模塊(Frequency Divider)，內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生電路(Clk_Occur)，狀態(tài)控制機(jī)(Srate Control)，中斷控制(IntContro1)，測(cè)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(yīng)的時(shí)鐘給從控制器，較從模式下工作更為復(fù)雜，所以將用工作在主模式下的SPI控制器描述內(nèi)部工作原理。
在開始傳送數(shù)據(jù)前，需將SPI控制器進(jìn)行配置，設(shè)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(shù)(SPICCR)?；九渲媒Y(jié)束后，向SPITXBUF和SPIDAT2個(gè)寄存器內(nèi)寫入要傳送的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，向SPITXBUF內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，新的數(shù)據(jù)將在當(dāng)前數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)行發(fā)送和接收操作。