FPGA：SPI接口

ARM 處理器

為了有機(jī)會(huì)測(cè)試我們新獲得的 SPI 知識(shí)，我們使用了 Saxo-L 板。 它有一個(gè) ARM7 處理器 （LPC2138） 和一個(gè) Cyclone FPGA （EP1C3），通過(guò) SPI 總線連接。

ARM 用作 SPI 主機(jī)，而 FPGA 用作 SPI 從機(jī)。 Saxo-L ARM 處理器實(shí)際上有兩個(gè) SPI 接口，一個(gè)稱為 SPI0，另一個(gè)更高級(jí)的稱為 SPI1/SSP。 它們都同樣易于使用。我們?cè)?Saxo-L 上使用 SPI1/SSP，因?yàn)樗杨A(yù)先接線在電路板上。

SPI 主機(jī) - C ARM 代碼

使用 SSP 只需初始化幾個(gè)寄存器，然后寫入/讀取數(shù)據(jù)以自動(dòng)發(fā)送/接收。

void main(void)
{
  // initialize SSP
  SSP0CPSR = 0x02;  // SSP max speed
  SSP0CR0 = 0x07;  // SSP max speed, 8 bits
  SSP0CR1 = 0x02;  // SSP master mode
  PINSEL1 = 0x2A8;  // SSP mode for pins P0.17 to P0.20

  while(1)
  {
    // send two bytes
    SSP0DR = 0x55;  // one nice thing about the SSP is that it has a 8-words deep FIFO
    SSP0DR = 0x54;  // so here we write the data to be sent without worrying

    // now wait until both bytes are sent
    while(!(SSP0SR & 0x01));

    // now we can read the two bytes received... and do anything with them
    int data1 = SSP0DR;
    int data2 = SSP0DR;
    // ...
  }
}

SPI 從機(jī) - HDL FPGA 代碼

現(xiàn)在是FPGA中的SPI從機(jī)。

由于SPI總線通常比FPGA工作時(shí)鐘速度慢得多，因此我們選擇使用FPGA時(shí)鐘對(duì)SPI總線進(jìn)行過(guò)采樣。 這使得從機(jī)代碼稍微復(fù)雜一些，但其優(yōu)點(diǎn)是SPI邏輯在FPGA時(shí)鐘域中運(yùn)行，這將使以后的工作變得更容易。

首先是模塊聲明。

module SPI_slave(clk, SCK, MOSI, MISO, SSEL, LED);
input clk;
input SCK, SSEL, MOSI;
output MISO;
output LED;

請(qǐng)注意，我們有“clk”（FPGA 時(shí)鐘）和一個(gè) LED 輸出......一個(gè)不錯(cuò)的小調(diào)試工具。 “clk”需要比 SPI 總線更快。Saxo-L 的默認(rèn)時(shí)鐘為 24MHz，在這里工作正常。

我們使用 FPGA 時(shí)鐘和移位寄存器對(duì) SPI 信號(hào)（SCK、SSEL 和 MOSI）進(jìn)行采樣/同步。

// sync SCK to the FPGA clock using a 3-bits shift register
reg [2:0] SCKr;  
always @(posedge clk) SCKr <= {SCKr[1:0], SCK};
wire SCK_risingedge = (SCKr[2:1]==2'b01);  // now we can detect SCK rising edges
wire SCK_fallingedge = (SCKr[2:1]==2'b10);  // and falling edges
// same thing for SSEL
reg [2:0] SSELr;  
always @(posedge clk) SSELr <= {SSELr[1:0], SSEL};
wire SSEL_active = ~SSELr[1];  // SSEL is active low
wire SSEL_startmessage = (SSELr[2:1]==2'b10);  // message starts at falling edge
wire SSEL_endmessage = (SSELr[2:1]==2'b01);  // message stops at rising edge
// and for MOSI
reg [1:0] MOSIr;  
always @(posedge clk) MOSIr <= {MOSIr[0], MOSI};
wire MOSI_data = MOSIr[1];

現(xiàn)在，從 SPI 總線接收數(shù)據(jù)很容易。

// we handle SPI in 8-bits format, so we need a 3 bits counter to count the bits as they come in
reg [2:0] bitcnt;reg byte_received;  // high when a byte has been received
reg [7:0] byte_data_received;
always @(posedge clk)begin
  if(~SSEL_active)
    bitcnt <= 3'b000;  else
  if(SCK_risingedge)  begin
    bitcnt <= bitcnt + 3'b001;

    // implement a shift-left register (since we receive the data MSB first)
    byte_data_received <= {byte_data_received[6:0], MOSI_data};  end
    end
    always @(posedge clk) byte_received <= SSEL_active && SCK_risingedge && (bitcnt==3'b111);
// we use the LSB of the data received to control an LEDreg LED;
always @(posedge clk) if(byte_received) LED <= byte_data_received[0];

最后是傳動(dòng)部分。

reg [7:0] byte_data_sent;
reg [7:0] cnt;
always @(posedge clk) if(SSEL_startmessage) cnt<=cnt+8'h1;  // count the messages
always @(posedge clk)if(SSEL_active)begin
  if(SSEL_startmessage)
    byte_data_sent <= cnt;  // first byte sent in a message is the message count  else
  if(SCK_fallingedge)  begin
    if(bitcnt==3'b000)
      byte_data_sent <= 8'h00;  // after that, we send 0s    else
      byte_data_sent <= {byte_data_sent[6:0], 1'b0};  
      end
      end
      assign MISO = byte_data_sent[7];  // send MSB first
// we assume that there is only one slave on the SPI bus
// so we don't bother with a tri-state buffer for MISO
// otherwise we would need to tri-state MISO when SSEL is inactiveendmodule

我們已經(jīng)在 ARM 和 FPGA 之間建立了通信！

運(yùn)行代碼

當(dāng)我們逐步執(zhí)行 ARM 代碼時(shí)，我們可以看到 LED 的狀態(tài)發(fā)生變化，以及 FPGA 返回的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在讓我們看看我們是否可以用SPI做一些有用的事情。

LCD接口

由于我們已經(jīng)知道如何驅(qū)動(dòng)圖形 LCD 面板，尤其是在文本模式下，讓我們嘗試從 LPC 中寫出文本。

從FPGA的角度來(lái)看，LCD控制器使用幾個(gè)blockram來(lái)保存字體，字符顯示等... 因此，我們只需要確保SPI數(shù)據(jù)進(jìn)入模塊即可。
從ARM的角度來(lái)看，將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD模塊的功能稱為“SSP_WriteBlock”。

// function used to write in the LCD blockrams
void SSP_WriteBlock(char* ob, int len, int addr);

void LCD_PutString(char* s, int x, int y)
{
  // the blockram that holds the characters starts at address 0, and have 80 characters per line
  SSP_WriteBlock(s, strlen(s), x+y*80);
}

void main(void)
{
  SSP_init();

  LCD_PutString("Hello world!", 0, 0);
  LCD_PutString("FPGA4FUN.COM - where FPGAs are fun.", 4, 3);

  LCD_PutString("Char set:", 0, 7);
  int i; for(i=0; i<128; i++) LCD_PutChar(i, i, 8);

  LCD_Cursor_off();
}

使用 LCD 控制器配置 FPGA 并運(yùn)行 ARM 代碼后，我們得到以下結(jié)果：