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摘要：从一种军用板卡的实际需求出发，对SPI接口在设计中有诸如FPGA资源和管脚等限制的情况下，快速加栽配置数据的方法进行了分析。并基于ATMEL公司的AT25F1024 FLASH器件，描述了高速SPI接口的设计原理和方法，具有一定的实用性和可行性。
0 引言
在一些军用芯片的早期设计中，一般先采用比较成熟的商用协议芯片进行军用化改造(通常做成板卡形式)，而商用芯片的军用化改造主要体现在确定性、实时性、稳定性、安全性等问题上，所以一般需要在商用协议芯片的上层加入较多的控制功能。FPGA以其资源丰富，易于组织流水和并行处理等优点，为这种复杂控制提供了很好的选择。而SPI在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，因此在基于FPGA的读写接口设计中，高速SPI是一种很好的选择。
1 SPI结构
SPI (Serial Peripheral Interface-串行外围设备接口)是Motorola公司推出的一种高效率全双工同步串行数据接口，以主从模式工作，广泛应用于FLASH，实时时钟，AD转换器等。SPI串行外围设备总线根据串行同步时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个参数的设置分为四种工作方式(SPO，SP1，SP2，SP3)。本板卡选用的片外存储器AT25F1024仅支持0和3模式，为简化设计，本设计的SPI时钟采用SP0模式(CP-OL=0，CPHA=0)，时钟极性为低电平，时钟相位串行时钟上升沿采样数据，下降沿数据输出.SPI为主从工作方式，主设备由三部分构成，SPI_CFG_LOAD配置加载模块可自动读取存储器FLASH的值，并加载到片内DPRAM中。主机通过配置SPI_CTRL控制模块相应的寄存器，来完成对片外FLASH的访问。SPI结构框图如图1所示。
2 高速SPI接口设计
2.1 配置加载模块的设计
SPI_CFG_LOAD配置加载模块主要完成从片外FLASH读取数据，并将数据存入片内DPRAM中的功能。图2给出了对应的状态机设计。
各状态说明如下：
SPI_IDLE：空闲状态，如果主机配置了寄存器SPICFGSTART，状态就跳到SPI_TX_BUFFER状态。
SPI_TX_BUFFER：在此状态主要向SPI_CTRL模块的发送缓冲区地址0填入8位读命令及读取数据的三字节起始地址，状态机之间进入下一状态。
SPI_CTRL_REG：在这一状态，配置SPI_CTRL模块CTRL寄存器的值，包括一次读操作搬运的数据位数，数据加载方式。如果配置GO位为“1”，表明可以开始进行读传输，进入下一状态SPI_CS。
SPI_CS：配置SPI_CTRL)模块寄存器SS位的值，以选择传输数据的从设备。
SPI_WAIT：本状态判断读操作的起始地址和终止地址是否在要求的范围内，如果处于相应的范围，地址自动加64后，状态机进入SPI_SS_ UA状态。
SPI_SS_UA：等待片内DPRAM的写操作完成，如果DPRAM_WR_END_T信号为高，说明当前的传输操作已经结束，可以进入下一次的访问，状态机进入SPI_IDLE状态。
2.2 控制模块的设计
SPI_CTRL控制模块可将发送缓冲区0的数据读出来，经过并串转换，发送到串行线SI上，并且控制从串行线SO上接收数据，存储在接收缓冲区，并行数据转换成串行输出由并串转换状态机来控制实现，见图3。
各状态含义如下：
TX_IDLE：等待主机设置控制寄存器的GO位，如果置“1”，表示准备开始传输，跳入下一状态TX_ADDR。
TX_ADDR：当传输长度小于等于32位时，跳入下一状态PARALELL_DATA。
PARALELL_DATA：如果GO为1，在此状态TIP将被置“1”，说明传输开始，传输的计数器开始计数。
SERIAL_DATA：并行数据转换为串行数据发送出去，当CNT_SHIFT计数器减到0时，传输结束，状态跳入TX_IDLE。
2.3 串行移位时钟设计
SPI串行线上的主从设备必须根据具体要求设置匹配的传输时序模式，时序只有匹配，数据传输才能正常进行。如果设置的不匹配，可能导致数据接收方和发送方在同一时钟沿作用，而使数据传输失败。本设计中的时钟仅支持SP0模式，即串行时钟处于空闲电平时，空闲状态时钟的极性电平为低，在时钟的前沿采样数据，时钟后沿串行线上数据变化。
在采样时刻，线上数据必须已经稳定可靠，因此数据发送端设备应提前将数据移出到数据线上，本SPI接口电路设计在同一串行移位时钟周期中的前一个时钟沿(即相反时钟变化方向)将数据移出，移位时钟设计为系统时钟的两分频，为40/2MHz。
2.4 SPI相关寄存器描述
在本设计中，共有四种32位寄存器，包括控制寄存器，从设备选择寄存器，加载配置数据起始寄存器以及加载配置数据完成寄存器。
控制寄存器用来控制配置信息加载方式，即：片外FLASH加载方式或主机直接加载方式。当选择片外FLASH加载方式时，控制寄存器还用来控制一次数据传输的长度。CTRL寄存器的具体描述见表1。
从设备选择寄存器的SS位置“1”时，表示选中从设备。置“0”表示不选择任何从设备，本设计仅支持一个从设备。
加载配置数据起始寄存器的SPICFGSTART位置“1”时，配置数据自动从FLASH中读取并写入到DPRAM中，置“0”不进行读FLASH操作。
加载配置数据完成寄存器为只读寄存器，用来判断数据是否已经加载完成。
2.5 SPI缓冲区设计
图4所示为主机可直接访问的SPI接口内部DPRAM发送和接收数据缓冲区。
SPI发送数据缓冲区深度65，数据位宽32位，其中地址22’h 3e0600存放访问AT25F1024存储器的指令，当进行写操作时，从数据发送缓冲区最低位地址22’h3e0604开始，将数据搬运出来，串行发送到AT25F1024存储器。
SPI接收数据缓冲区深度65，数据位宽32位，其中地址22’h3e0400缓存读取的AT25F1024配置和状态信息，偏移地址22’h3e0404～22’ h3e0500缓存指定FLASH读取的总线配置数据数据，最大缓存2048位。
3 数据搬运时间
3.1 主机写片外FLASH的时间
本设计使用的存储器AT25F1024缓冲数据寄存器大小2048位，写使能需要8个串行时钟周期，向片外FLASH传输2048位数据需要2080个串行时钟周期(包括了32位写指令的传输数据)，这样写一次需要时间为2088个时钟周期，主机将1Mbits的FLASH填满，时间大约为2088 x50ns(串行时钟40/2MHz)×512 (填满1Mbits需要512次写操作)=53.4ms。读1Mbits的FLASH需要的时间约为2080x50x512=53.2ms。图5所示为主机写片外FLASH时序图。
3.2 读取数据并加载到片内DPRAM的时间
通过SO管脚读取AT25F1024的过程按下面顺序执行，当片选拉低选择此器件之后，通过SI线发送读指令，后面跟随要读的地址(三个字节地址)，指令传输完之后，SI线上的任何数据将被忽略。指定地址的数据接着被移出到SO线上。如果仅读取一个字节，当数据读出来之后，CS信号驱动为高。读指令继续时，字节地址自动增加，并且数据不断被搬运出来。
AT25F1024缓冲数据寄存器大小2048位，在本设计中，写使能需要32个串行时钟周期，这样读取一次需要时间为2080个时钟周期，将片内DPRAM(DPRAM大小14940字节)填满，时间大约为2080x50ns(串行时钟40/2MHZ)x59(填满片内DPRAM需要大约59次读操作)=6.13ms。
4 结束语
本文从应用的实际需求出发，在FPGA中实现了对外部FLASH进行读写的高速SPI接口，并已在某型板卡中成功应用。本文重点用有限状态机的形式对各部分的工作原理和实现方法进行了描述。在FPGA资源比较紧张，限制管脚的使用数目，对速率又有比较高的需求的情况下，利用此SPI接口进行数据的加载或者固化，具有很高的应用价值。
作者：王纯委 王明 中国航空计算技术研究所 来源：《电子元器件应用》2011年04期
