0 引言
    在一些軍用芯片的早期設(shè)計(jì)中，一般先采用比較成熟的商用協(xié)議芯片進(jìn)行軍用化改造(通常做成板卡形式)，而商用芯片的軍用化改造主要體現(xiàn)在確定性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、安全性等問題上，所以一般需要在商用協(xié)議芯片的上層加入較多的控制功能。FPGA以其資源豐富，易于組織流水和并行處理等優(yōu)點(diǎn)，為這種復(fù)雜控制提供了很好的選擇。而SPI在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，因此在基于FPGA的讀寫接口設(shè)計(jì)中，高速SPI是一種很好的選擇。

1 SPI結(jié)構(gòu)
    SPI (Serial Peripheral Interface-串行外圍設(shè)備接口)是Motorola公司推出的一種高效率全雙工同步串行數(shù)據(jù)接口，以主從模式工作，廣泛應(yīng)用于FLASH，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器等。SPI串行外圍設(shè)備總線根據(jù)串行同步時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置分為四種工作方式(SPO，SP1，SP2，SP3)。本板卡選用的片外存儲(chǔ)器AT25F1024僅支持0和3模式，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的SPI時(shí)鐘采用SP0模式(CP-OL=0，CPHA=0)，時(shí)鐘極性為低電平，時(shí)鐘相位串行時(shí)鐘上升沿采樣數(shù)據(jù)，下降沿?cái)?shù)據(jù)輸出．SPI為主從工作方式，主設(shè)備由三部分構(gòu)成，SPI_CFG_LOAD配置加載模塊可自動(dòng)讀取存儲(chǔ)器FLASH的值，并加載到片內(nèi)DPRAM中。主機(jī)通過配置SPI_CTRL控制模塊相應(yīng)的寄存器，來完成對(duì)片外FLASH的訪問。SPI結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 高速SPI接口設(shè)計(jì)
2．1 配置加載模塊的設(shè)計(jì)
    SPI_CFG_LOAD配置加載模塊主要完成從片外FLASH讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入片內(nèi)DPRAM中的功能。圖2給出了對(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。

    各狀態(tài)說明如下：
    SPI_IDLE：空閑狀態(tài)，如果主機(jī)配置了寄存器SPICFGSTART，狀態(tài)就跳到SPI_TX_BUFFER狀態(tài)。
    SPI_TX_BUFFER：在此狀態(tài)主要向SPI_CTRL模塊的發(fā)送緩沖區(qū)地址0填入8位讀命令及讀取數(shù)據(jù)的三字節(jié)起始地址，狀態(tài)機(jī)之間進(jìn)入下一狀態(tài)。
    SPI_CTRL_REG：在這一狀態(tài)，配置SPI_CTRL模塊CTRL寄存器的值，包括一次讀操作搬運(yùn)的數(shù)據(jù)位數(shù)，數(shù)據(jù)加載方式。如果配置GO位為“1”，表明可以開始進(jìn)行讀傳輸，進(jìn)入下一狀態(tài)SPI_CS。
    SPI_CS：配置SPI_CTRL)模塊寄存器SS位的值，以選擇傳輸數(shù)據(jù)的從設(shè)備。
    SPI_WAIT：本狀態(tài)判斷讀操作的起始地址和終止地址是否在要求的范圍內(nèi)，如果處于相應(yīng)的范圍，地址自動(dòng)加64后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入SPI_SS_ UA狀態(tài)。
    SPI_SS_UA：等待片內(nèi)DPRAM的寫操作完成，如果DPRAM_WR_END_T信號(hào)為高，說明當(dāng)前的傳輸操作已經(jīng)結(jié)束，可以進(jìn)入下一次的訪問，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入SPI_IDLE狀態(tài)。
2．2 控制模塊的設(shè)計(jì)
    SPI_CTRL控制模塊可將發(fā)送緩沖區(qū)0的數(shù)據(jù)讀出來，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換，發(fā)送到串行線SI上，并且控制從串行線SO上接收數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在接收緩沖區(qū)，并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行輸出由并串轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)來控制實(shí)現(xiàn)，見圖3。

    各狀態(tài)含義如下：
    TX_IDLE：等待主機(jī)設(shè)置控制寄存器的GO位，如果置“1”，表示準(zhǔn)備開始傳輸，跳入下一狀態(tài)TX_ADDR。
    TX_ADDR：當(dāng)傳輸長(zhǎng)度小于等于32位時(shí)，跳入下一狀態(tài)PARALELL_DATA。
    PARALELL_DATA：如果GO為1，在此狀態(tài)TIP將被置“1”，說明傳輸開始，傳輸?shù)挠?jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。
    SERIAL_DATA：并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送出去，當(dāng)CNT_SHIFT計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，傳輸結(jié)束，狀態(tài)跳入TX_IDLE。
2．3 串行移位時(shí)鐘設(shè)計(jì)
    SPI串行線上的主從設(shè)備必須根據(jù)具體要求設(shè)置匹配的傳輸時(shí)序模式，時(shí)序只有匹配，數(shù)據(jù)傳輸才能正常進(jìn)行。如果設(shè)置的不匹配，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收方和發(fā)送方在同一時(shí)鐘沿作用，而使數(shù)據(jù)傳輸失敗。本設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘僅支持SP0模式，即串行時(shí)鐘處于空閑電平時(shí)，空閑狀態(tài)時(shí)鐘的極性電平為低，在時(shí)鐘的前沿采樣數(shù)據(jù)，時(shí)鐘后沿串行線上數(shù)據(jù)變化。
    在采樣時(shí)刻，線上數(shù)據(jù)必須已經(jīng)穩(wěn)定可靠，因此數(shù)據(jù)發(fā)送端設(shè)備應(yīng)提前將數(shù)據(jù)移出到數(shù)據(jù)線上，本SPI接口電路設(shè)計(jì)在同一串行移位時(shí)鐘周期中的前一個(gè)時(shí)鐘沿(即相反時(shí)鐘變化方向)將數(shù)據(jù)移出，移位時(shí)鐘設(shè)計(jì)為系統(tǒng)時(shí)鐘的兩分頻，為40／2MHz。
2．4 SPI相關(guān)寄存器描述
    在本設(shè)計(jì)中，共有四種32位寄存器，包括控制寄存器，從設(shè)備選擇寄存器，加載配置數(shù)據(jù)起始寄存器以及加載配置數(shù)據(jù)完成寄存器。
    控制寄存器用來控制配置信息加載方式，即：片外FLASH加載方式或主機(jī)直接加載方式。當(dāng)選擇片外FLASH加載方式時(shí)，控制寄存器還用來控制一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L(zhǎng)度。CTRL寄存器的具體描述見表1。

    從設(shè)備選擇寄存器的SS位置“1”時(shí)，表示選中從設(shè)備。置“0”表示不選擇任何從設(shè)備，本設(shè)計(jì)僅支持一個(gè)從設(shè)備。
    加載配置數(shù)據(jù)起始寄存器的SPICFGSTART位置“1”時(shí)，配置數(shù)據(jù)自動(dòng)從FLASH中讀取并寫入到DPRAM中，置“0”不進(jìn)行讀FLASH操作。
    加載配置數(shù)據(jù)完成寄存器為只讀寄存器，用來判斷數(shù)據(jù)是否已經(jīng)加載完成。
2．5 SPI緩沖區(qū)設(shè)計(jì)
    圖4所示為主機(jī)可直接訪問的SPI接口內(nèi)部DPRAM發(fā)送和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

    SPI發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)深度65，數(shù)據(jù)位寬32位，其中地址22’h 3e0600存放訪問AT25F1024存儲(chǔ)器的指令，當(dāng)進(jìn)行寫操作時(shí)，從數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)最低位地址22’h3e0604開始，將數(shù)據(jù)搬運(yùn)出來，串行發(fā)送到AT25F1024存儲(chǔ)器。
    SPI接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)深度65，數(shù)據(jù)位寬32位，其中地址22’h3e0400緩存讀取的AT25F1024配置和狀態(tài)信息，偏移地址22’h3e0404～22’ h3e0500緩存指定FLASH讀取的總線配置數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，最大緩存2048位。

3 數(shù)據(jù)搬運(yùn)時(shí)間
3．1 主機(jī)寫片外FLASH的時(shí)間
    本設(shè)計(jì)使用的存儲(chǔ)器AT25F1024緩沖數(shù)據(jù)寄存器大小2048位，寫使能需要8個(gè)串行時(shí)鐘周期，向片外FLASH傳輸2048位數(shù)據(jù)需要2080個(gè)串行時(shí)鐘周期(包括了32位寫指令的傳輸數(shù)據(jù))，這樣寫一次需要時(shí)間為2088個(gè)時(shí)鐘周期，主機(jī)將1Mbits的FLASH填滿，時(shí)間大約為2088 x50ns(串行時(shí)鐘40／2MHz)×512 (填滿1Mbits需要512次寫操作)=53．4ms。讀1Mbits的FLASH需要的時(shí)間約為2080x50x512=53．2ms。圖5所示為主機(jī)寫片外FLASH時(shí)序圖。

3．2 讀取數(shù)據(jù)并加載到片內(nèi)DPRAM的時(shí)間
    通過SO管腳讀取AT25F1024的過程按下面順序執(zhí)行，當(dāng)片選拉低選擇此器件之后，通過SI線發(fā)送讀指令，后面跟隨要讀的地址(三個(gè)字節(jié)地址)，指令傳輸完之后，SI線上的任何數(shù)據(jù)將被忽略。指定地址的數(shù)據(jù)接著被移出到SO線上。如果僅讀取一個(gè)字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)讀出來之后，CS信號(hào)驅(qū)動(dòng)為高。讀指令繼續(xù)時(shí)，字節(jié)地址自動(dòng)增加，并且數(shù)據(jù)不斷被搬運(yùn)出來。
    AT25F1024緩沖數(shù)據(jù)寄存器大小2048位，在本設(shè)計(jì)中，寫使能需要32個(gè)串行時(shí)鐘周期，這樣讀取一次需要時(shí)間為2080個(gè)時(shí)鐘周期，將片內(nèi)DPRAM(DPRAM大小14940字節(jié))填滿，時(shí)間大約為2080x50ns(串行時(shí)鐘40／2MHZ)x59(填滿片內(nèi)DPRAM需要大約59次讀操作)=6．13ms。

4 結(jié)束語
    本文從應(yīng)用的實(shí)際需求出發(fā)，在FPGA中實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部FLASH進(jìn)行讀寫的高速SPI接口，并已在某型板卡中成功應(yīng)用。本文重點(diǎn)用有限狀態(tài)機(jī)的形式對(duì)各部分的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了描述。在FPGA資源比較緊張，限制管腳的使用數(shù)目，對(duì)速率又有比較高的需求的情況下，利用此SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的加載或者固化，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。