对SPI进行参数化结构设计
前言
为了避免每次SPI驱动重写,直接参数化,尽量一劳永逸。
SPI master有啥用呢,你发现各种外围芯片的配置一般都是通过SPI配置的,只不过有3线和四线。
SPI slave有啥用呢,当外部主机(cpu)要读取FPGA内部寄存器值,那就很有用了,fpga寄存器就相当于RAM,cpu通过SPI寻址读写数据。
代码仅供参考,勿做商业用途。
SPI salve
SPI salve支持功能:(1)支持三线SPI或者四线SPI。通过define切换。
(2)支持指令长度、帧长自定义。
(3)工作时钟可自定义,大于SPI clk的2倍。
用户只需修改:(1)几线SPI。(2)单帧长度。(3)指令长度。(4)寄存器开辟。
注意:指令最高bit表示读写,低写高读,其余bit表示地址。指令接着为数据端,两者位宽之和即为SPI单帧长。
- //`define SPI_LINE //是否是三线SPI
- `define SPI_FRAME_WIDTH //SPI一帧长度为16
- `define SPI_INS_WIDTH //SPI指令长
- `timescale 1ns/1ps
- ////
- module spi_slave
- (
- input i_clk , //work clk
- input i_rst_n ,
- input i_spi_clk , //SPI clk
- input i_spi_cs , //SPI cs
- `ifdef SPI_LINE //条件编译
- inout io_spi_sdio
- `else
- input i_spi_mosi , //SPI mosi
- output o_spi_miso //SPI miso
- `endif
- );
- //位宽计算函数
- function integer clogb2 (input integer depth);
- begin
- for (clogb2=; depth>; clogb2=clogb2+)
- depth = depth >>;
- end
- endfunction
- reg r_cs = 'b1; //打一拍
- always @(posedge i_clk)
- begin
- r_cs <= i_spi_cs;
- end
- reg [:] r_spi_clk_edge = 'b00; //SPI clk边沿检测
- always @(posedge i_clk)
- begin
- r_spi_clk_edge <= {r_spi_clk_edge[],i_spi_clk};
- end //always
- reg [clogb2(`SPI_FRAME_WIDTH-)-:] r_spi_cnt = 'd0;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (r_cs) //cs为高则归零
- r_spi_cnt <= 'd0;
- else if (r_spi_clk_edge == 'b10) //下降沿才计数
- r_spi_cnt <= r_spi_cnt + 'd1;
- end
- ////指令锁存
- reg [`SPI_INS_WIDTH-:] r_ins = 'd0;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if ((~r_cs) && (r_spi_clk_edge == 'b01)) //上升沿锁存数据
- begin
- if ((r_spi_cnt >= ) && (r_spi_cnt <= `SPI_INS_WIDTH-))
- `ifdef SPI_LINE //条件编译
- r_ins <= {r_ins[`SPI_INS_WIDTH-:],io_spi_sdio};
- `else
- r_ins <= {r_ins[`SPI_INS_WIDTH-:],i_spi_mosi};
- `endif
- end
- end
- ////数值写入
- reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:] r_data_rx = 'd0;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if ((~r_cs) && (r_spi_clk_edge == 'b01)) //上升沿锁存数据
- begin
- if (r_spi_cnt >= `SPI_INS_WIDTH)
- `ifdef SPI_LINE
- r_data_rx <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:],io_spi_sdio};
- `else
- r_data_rx <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:],i_spi_mosi};
- `endif
- end
- end
- ////用户寄存器定义
- reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:] r_reg0 = 'd0;
- reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:] r_reg1 = 'd0;
- reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:] r_reg2 = 'd0;
- reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:] r_reg3 = 'd0;
- ////
- always @(posedge i_clk,negedge i_rst_n)
- begin
- if (~i_rst_n)
- begin
- r_reg0 <= 'd0;
- r_reg1 <= 'd0;
- r_reg2 <= 'd0;
- r_reg3 <= 'd0;
- end
- else if ((~r_ins[`SPI_INS_WIDTH-]) && (r_spi_cnt == (`SPI_FRAME_WIDTH-)) && (~r_cs) && (r_spi_clk_edge == 'b01))
- begin
- `ifdef SPI_LINE
- case (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-:])
- 'd0:begin r_reg0 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; end
- 'd1:begin r_reg1 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; end
- 'd2:begin r_reg2 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; end
- 'd3:begin r_reg3 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],io_spi_sdio}; end
- endcase
- `else
- case (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-:])
- 'd0:begin r_reg0 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; end
- 'd1:begin r_reg1 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; end
- 'd2:begin r_reg2 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; end
- 'd3:begin r_reg3 <= {r_data_rx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-2:0],i_spi_mosi}; end
- endcase
- `endif
- end
- end
- ////寄存器值读出
- reg [`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:] r_data_tx = 'd0;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-] && (~r_cs) && (r_spi_clk_edge == 'b10))
- begin
- if (r_spi_cnt == (`SPI_INS_WIDTH-))
- begin
- case (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-:])
- 'd0:begin r_data_tx <= r_reg0; end
- 'd1:begin r_data_tx <= r_reg1; end
- 'd2:begin r_data_tx <= r_reg2; end
- 'd3:begin r_data_tx <= r_reg3; end
- endcase
- end
- else
- r_data_tx <= {r_data_tx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-:],'b0};
- end
- end
- ////读取输出
- `ifdef SPI_LINE
- assign io_spi_sdio = (r_ins[`SPI_INS_WIDTH-]) ? (((r_spi_cnt>=`SPI_INS_WIDTH) && (r_spi_cnt<`SPI_FRAME_WIDTH)) ? r_data_tx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-] : 'bz) : 1'bz;
- `else
- assign o_spi_miso = ((r_spi_cnt>=`SPI_INS_WIDTH) && (r_spi_cnt<`SPI_FRAME_WIDTH)) ? r_data_tx[`SPI_FRAME_WIDTH-`SPI_INS_WIDTH-] : 'b0;
- `endif
- endmodule // end the spi_slave model
SPI master
spi master内部仅仅封装SPI驱动,写入值读出控制由上层控制,这部分逻辑很simple,不赘述。用户只需给入SPI帧及控制使能即可。
用户只需修改parameter参数:(1)单帧长。(2)指令长。(3)数据长。(4)工作时钟。(5)SPI clk。
实现不使用状态机,采用线性序列计数法。
- //`define SPI_LINE //是否是三线SPI
- `timescale 1ns/1ps
- module spi_master
- #(parameter p_spi_frame_width = , //SPI单帧长度
- parameter p_spi_ins_width = , //指令长度
- parameter p_spi_data_width = //读出数据长度
- )
- (
- input i_clk , //系统时钟
- input i_rst_n ,
- input i_flag , //检测到flag的上升沿则启动一次传输,一个时钟周期即可
- input [p_spi_frame_width-:] i_spi_data ,
- output o_spi_cs ,
- output o_spi_clk ,
- `ifdef SPI_LINE //条件编译
- inout io_spi_sdio ,
- `else
- input i_spi_miso , //SPI miso
- output o_spi_mosi , //SPI mosi
- `endif
- output o_transfer_done , //单次传输完成
- output [p_spi_data_width-:] o_spi_data //读取数据
- );
- parameter p_clk_fre = ; //XXM时钟频率
- parameter p_spi_clk_fre = 0.5*; //SPI 时钟速率,表示1M
- parameter p_clk_div = p_clk_fre * /p_spi_clk_fre/-;
- parameter p_spi_cnt_max = p_spi_frame_width*-;
- parameter p_spi_ins_max = p_spi_ins_width*-;
- //位宽计算函数
- function integer clogb2 (input integer depth);
- begin
- for (clogb2=; depth>; clogb2=clogb2+)
- depth = depth >>;
- end
- endfunction
- //把最大值赋值给线型,直接用p_clk_div仿真有问题,但实际上板是可以的
- wire [clogb2(p_clk_div)-:] w_clk_div;
- assign w_clk_div = p_clk_div;
- ////时钟分频
- reg [clogb2(p_clk_div)-:] r_cnt_div = 'd0;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (r_cnt_div == w_clk_div)
- r_cnt_div <= 'd0;
- else
- r_cnt_div <= r_cnt_div + 'd1;
- end //always
- wire w_clk_en; //分频时钟使能
- assign w_clk_en = (r_cnt_div == w_clk_div) ? 'b1 : 1'b0;
- reg [:] r_flag_edge = 'b00;
- reg [clogb2(p_spi_cnt_max)-:] r_spi_cnt = 'd0;
- always @(posedge i_clk) //flag边沿检测
- begin
- r_flag_edge <= {r_flag_edge[],i_flag};
- end
- //flag信号展宽到低速时钟域
- reg r_flag_enlarge = 'b0;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (r_flag_edge == 'b01) //上升沿拉高
- r_flag_enlarge <= 'b1;
- else if (r_spi_cnt == p_spi_ins_max) //足够长的高电平才拉低
- r_flag_enlarge <= 'b0;
- end
- reg [:] r_flag_enlarge_edge = 'b00;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (w_clk_en)
- r_flag_enlarge_edge <= {r_flag_enlarge_edge[],r_flag_enlarge};
- end
- reg r_cs = 'b1;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (w_clk_en)
- begin
- if (r_flag_enlarge_edge == 'b01) //检测到需要进行SPI操作
- r_cs <= 'b0;
- else if (r_spi_cnt == p_spi_cnt_max) //计数到最大值表示一次SPI完成
- r_cs <= 'b1;
- end
- end
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (w_clk_en)
- begin
- if(~r_cs) //在操作区间计数
- r_spi_cnt <= r_spi_cnt + 'd1;
- else
- r_spi_cnt <= 'd0;
- end
- end
- ////数据传输段
- reg [p_spi_frame_width-:] r_data = 'd0;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (w_clk_en)
- begin
- if (r_flag_enlarge_edge == 'b01) //上升沿刷入
- r_data <= i_spi_data;
- else if (r_spi_cnt[] == 'b1) //数据移动
- r_data <= {r_data[p_spi_frame_width-:],'b1};
- end
- end
- ////数据读取段
- reg [p_spi_data_width-:] r_data_read = 'd0;
- always @(posedge i_clk)
- begin
- if (w_clk_en)
- begin
- if (i_spi_data[p_spi_frame_width-] && (r_spi_cnt > p_spi_ins_max) && (r_spi_cnt[] == 'b0)) //是读
- `ifdef SPI_LINE
- r_data_read <= {r_data_read[p_spi_data_width-:],io_spi_sdio};
- `else
- r_data_read <= {r_data_read[p_spi_data_width-:],i_spi_miso};
- `endif
- end
- end
- ////SPI输出段
- assign o_spi_cs = r_cs;
- assign o_spi_clk = r_cs ? 'b0 : r_spi_cnt[0];
- ////SPI SDIO的输入输出切换
- `ifdef SPI_LINE
- assign io_spi_sdio = (i_spi_data[p_spi_frame_width-]) ? (((r_spi_cnt >= 'd0) && (r_spi_cnt <= p_spi_ins_max)) ? r_data[p_spi_frame_width-1] : 1'bz ) : r_data[p_spi_frame_width-];
- `else
- assign o_spi_mosi = r_data[p_spi_frame_width-];
- `endif
- assign o_transfer_done = ((~r_cs) && (r_spi_cnt == p_spi_cnt_max)) ? 'b1:1'b0;
- assign o_spi_data = r_data_read;
- endmodule // end the spi_master model
仿真如下所示:写入四个寄存器值,再读出。
仿真代码如下:
- `define TRANSFER_NUMBER //操作数为4
- `define DATA 'ha5
- //`define SPI_LINE
- timeunit 1ns;
- timeprecision 1ps;
- module top;
- parameter p_sim_end_time = ; //ns
- logic l_clk = 'b0;
- always #2.5 l_clk = ~l_clk;
- ////复位
- logic l_rst_n = 'b0;
- initial begin
- # l_rst_n = 'b1;
- end
- wire io_sdio;
- wire o_spi_cs;
- wire o_spi_clk;
- wire o_transfer_done;
- wire [:] o_spi_data;
- ////多个数据操作模式
- reg r_flag = 'b0;
- reg [:] r_first_cnt = 'b00;
- always @(posedge l_clk,negedge l_rst_n)
- begin
- if (~l_rst_n)
- r_first_cnt <= 'b00;
- else if (r_first_cnt == 'd3)
- r_first_cnt <= r_first_cnt;
- else
- r_first_cnt <= r_first_cnt + 'd1;
- end
- reg [:] r_transfer_done_edge = 'b00;
- always @(posedge l_clk)
- begin
- r_transfer_done_edge <= {r_transfer_done_edge[],o_transfer_done};
- end
- reg [:] r_transfer_cnt = 'd0;
- always @(posedge l_clk)
- begin
- if ((r_first_cnt == 'd2) && (r_transfer_cnt < `TRANSFER_NUMBER))
- r_flag <= 'b1;
- else if ((r_transfer_done_edge == 'b10) && (r_transfer_cnt < `TRANSFER_NUMBER-1))
- r_flag <= 'b1;
- else
- r_flag <= 'b0;
- end
- always @(posedge l_clk)
- begin
- if (r_transfer_done_edge == 'b10)
- r_transfer_cnt <= r_transfer_cnt + 'd1;
- end
- reg [:] r_in_data = 'd0;
- always @(*)
- begin
- if (~l_rst_n) //仿真不执行此段仿真会有问题
- r_in_data = 'h0000;
- else
- begin
- case(r_transfer_cnt)
- 'd0:begin r_in_data = {8'h00,'h43}; end
- 'd1:begin r_in_data = 16'h0132; end
- 'd2:begin r_in_data = 16'h0245; end
- 'd3:begin r_in_data = 16'h0367; end
- 'd4:begin r_in_data = 16'h8000; end
- 'd5:begin r_in_data = 16'h8100; end
- 'd6:begin r_in_data = 16'h8200; end
- 'd7:begin r_in_data = 16'h8300; end
- default:begin r_in_data = 'h0000; end
- endcase
- end
- end
- wire w_spi_miso;
- wire w_spi_mosi;
- spi_master inst_spi_master (
- .i_clk (l_clk),
- .i_rst_n (),
- .i_flag (r_flag),
- .i_spi_data (r_in_data),
- .o_spi_cs (o_spi_cs),
- .o_spi_clk (o_spi_clk),
- `ifdef SPI_LINE
- .io_spi_sdio (io_sdio),
- `else
- .i_spi_miso (w_spi_miso),
- .o_spi_mosi (w_spi_mosi),
- `endif
- .o_transfer_done (o_transfer_done),
- .o_spi_data (o_spi_data)
- );
- spi_slave inst_spi_slave (
- .i_clk (l_clk),
- .i_rst_n (l_rst_n),
- .i_spi_clk (o_spi_clk),
- .i_spi_cs (o_spi_cs),
- `ifdef SPI_LINE
- .io_spi_sdio (io_sdio)
- `else
- .i_spi_mosi (w_spi_mosi),
- .o_spi_miso (w_spi_miso)
- `endif
- );
- initial begin
- #p_sim_end_time $stop;
- end
- endmodule
三线SPI:
四线SPI:
可以看到读写是一致的,验证通过。
以上。
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