[FPGA时序逻辑实验][A题][SPI主设备控制器]_v1.0

A题

SPI主设备控制器

一、实验原理

串行外围设备接口SPI（Serial Peripheral interface）是一种高速的，全双工，同步的通信总线，用于在单个主设备和一个或多个从设备之间以串行方式进行通信。SPI接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主设备输入/从设备输出数据线MISO、主设备输出/从设备输入数据线MOSI和低电平有效的从设备选择线SS。SPI 数据传输速率一般介于 1 到 70 MHz 之间，传输的字节长度范围为 8 位和 12 位或8位、12位的整数倍。

成功的SPI数据传输至少包含一次数据交换。当主设备向从设备发送数据时，从设备也会向主设备发送数据。为此，主设备的内部移位寄存器和从设备的内部寄存器被设置成环形。SPI主从设备传输方式和内部结构如图1所示，更详细的SPI通信协议请自行参考“SPI总线规范”。

图1 SPI主从设备传输示意图

在数据交换之前，主节点和从节点使其内部移位寄存器加载存储器数据。产生时钟信号时，主节点会通过 MOSI 线同步输出其移位寄存器。同时，从节点在 SIMO 处从主节点读取第一位，并将其存储到存储器中，然后通过 SOMI 输出 MSB。主节点会在 MISO 处读取从节点的第一位，并将其存储到存储器中以待稍后处理。整个过程将一直持续，直至交换完所有数据位，然后主节点使时钟空闲并通过 /SS 禁用从节点。

写字节/字

写字节/字操作首先要发送命令字，一般为8位，首位为读写控制位，对于写操作应为“1”，后面为准备写入的寄存器地址。接下来的一个或两个字节，分别是将要写入的数据。在下图这个例子中，主器件拉低SS，启动传输操作，在发送完寄存器地址(Register Address)后，主器件再发8位寄存器值(Register Data)，如果寄存器值为16位，则再发一次，最后拉高SS结束，如图2所示。

SS

SCLK

MOSI

MISO

图2 写字节数据格式

读字节/字

读字节/字操作首先要发送命令字，一般为8位，首位为读写控制位，对于读操作应为“0”，后面为准备读取的寄存器地址，命令字发送完毕后，在紧接着的下1个时钟沿，寄存器内的数据发送到MISO线上。在下图这个例子中，主器件拉低SS，启动传输操作，在发送完寄存器地址(Register Address)后， 8位寄存器值(Register Data)出现在MISO线上，如果寄存器值为16位，则连续发送16位，最后拉高SS结束传输操作，如图3所示。

SS

SCLK

MOSI

MISO

图3 读字节数据格式（CPHA = 0）

二、实验内容

1、基础部分（70%）

试用FPGA设计实现一个SPI主设备控制器，实验中只考虑一个从设备的情况，功能切换用逻辑电平开关实现

1) 实现如图2所示的字节写入功能，其中，待写入的寄存器地址为“66h”，待写入的寄存器数据为

“AAh”

2) 实现如图3所示的字节读取功能，待读取的寄存器地址为“55h”，读取到寄存器数据为“33h”，

并将接收到的8位数据显示在LED或数码管上

3) 用示波器观察并记录SCLK、MOSI和MISO波形。

2、提高部分（30%）

1) 在基础部分的内容上增加接收数据判断功能，如果从从设备读取的数据等于“33h”，则接收正确

指示灯亮，并将接收到的8位数据显示在LED或数码管上，如果从从设备接收的数据不等于“33h”，则接收正确指示灯灭，LED或数码管显示全0，同时用示波器观察并记录SCLK、MOSI和MISO波形。（10%）

2) 将数据格式改成图4和图5所示，即SPI主控制器发送16位的串行数据，首位为写/读位，“1”

为写，“0”为读，后接3位地址，然后是12位数据。其中待写入的寄存器地址为“06h”，待写入的寄存器数据为“3AAh”，待读取的寄存器地址为“05h”，读取到寄存器数据为“A33h”，重复提高部分1的实验内容，其中LED或数码管数量要增加，以显示12位数据。（20%）

SS

SCLK

MOSI

MISO

图4 写操作数据格式

SS

SCLK

MOSI

MISO

图5 读操作数据格式

三、实验要求：

1、 根据设计要求划分设计层次、单元模块和接口信号，在预习报告上记录设计过程，绘制系统框图并设

计验证方案。

2、 用原理图输入法设计所有单元模块并编译，分析编译时产生的错误和警告信息

3、 对所有的单元模块进行功能仿真，并记录和分析全部仿真结果

4、 在顶层文件中连接全部单元模块并编译、综合、分配管脚和适配。为了便于验证，对于实验A，需将

实验中心提供的从设备模块单元连接到设计文件中，对于实验B，需将实验中心提供的主设备模块单元连接到设计文件中

5、 对整个系统进行时序仿真，并记录和分析仿真结果。

6、 将仿真正确的设计下载到实验箱上，连接输入输出设备和示波器进行板级验证