基于fpga的spi控制器设计(附件)【字数：10698】
摘 要随着专用集成电路（ASIC)设计技术的进步以及超大规模集成电路（VLSI)工艺技术的飞速发展，以及其价格的日益降低，采用FPGA编程的硬件电路来实现诸如SPI接口也切实可行，相对软件实现具有更好的优点。SPI接口是一种常用的标准接口，由于其使用简单方便且节省系统资源，很多芯片都支持该接口，SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间等等。SPI是Motorola公司推出的一种同步串行通讯方式，一种三线同步总线，是一种常用的标准接口，由于其使用简单方便且节省系统资源，很多芯片都支持该接口。FPGA是一种可以由用户自定义配置的高密度专业集成电路，具有更高的集成度和更强大的逻辑实现能力。基于FPGA技术研制一个SPI通信接口具有现实的意义。本系统要求做一个SPI模块来设计简化的SPI接口。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2 SPI的研究目的及意义 2
1.2.1研究目的 2
1.2.2研究意义 2
第二章 SPI原理分析 3
2.1 SPI介绍 3
2.2 SPI模式 4
2.2.1 SPI工作模式 4
2.2.2 SPI传输模式 4
2.3 SPI协议 5
2.4本章小结 6
第三章 方案论证 8
3.1设计方案 8
3.1.1在51系列单片机系统中实现 8
3.1.2用可编程逻辑器件设计SPI 8
3.2本章小结 9
第四章 SPI的电路设计 10
4.1 SPI设计系统的功能 10
4.2 SPI各部分具体实现 10
4.2.1 SPI系统中所用的寄存器 10
4.2.2 SPI速率控制 12
4.2.3 SPI控制状态机 12
4.2.4 SPI程序设计流程图 13
4.2.5 SPI设计程序 13
4.3 开发板上调试验证分析 14
4.4本章小结 18
结束语 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
20
致 谢 21
参考文献 22
附录1 23
附录2 27
第一章 绪论
1.1课题研究背景
数据传输有串行传输和并行传输两种方法。并行传输以其高速度占领了数据传输领域很长一段时间，采用并行传输的集成电路、外围设备可谓不计其数，从CPU、RAM/ROM到打印机。
从原理上讲，串行传输是按位传输方式，只利用一条信号线进行传输，例如：要传送一个字节（8位）数据，是按照该字节中从最高位逐位传输，直至最低位。
而并行传输是一次将所有一字节中8位信号一并传送出去。自然最少需要8根信号线。
如果按每次传送的数据流量来看，并行传输要远快于串行传输，在电脑发展初期，由于数据传输速率不是很高，并行传输还是很快的。
但并行传输也有它的缺点：
（1）干扰问题。
其根本原因是由于传输速率太快，一般达到100M以上，信号线上传递的频率将超过100MHz，想想看，调频收音机的频率也不过88~108MHz，也就是说，若用并行传输的话，是8根天线放在一起来传输信号，易发生干扰。但如果加强屏蔽，减小信号线间的耦合电容，是可以继续增大传输速率的，不过这将变得不现实，因为这必然导致信号线将耗用更多金属，截面积更大。
（2）并行传输速率提升困难的最主要原因是同步问题
并行传输时，发送器是同时将8位信号电平加在信号线上，电信号虽然是以光速传输的，但仍有延迟，因此8位信号不是严格同时到达接受端，速率小时，由于每一字节在信号线上的持续时间较长，这种到达时间上的不同步并不严重，随着传输速率的增加，与8位信号到达时间的差异相比，每一字节的持续时间显得越来越短，最终导致前一字节的某几位与后一字节的几位同时到达接受端，这就造成了传输失败，而且随着信号线的加长这种现象还会越发严重，直至无法使用。
串行传输由于只有一位信号在信号线上，没有位同步问题，因此传送频率可以继续提高，当前传输速率已经达到1Gb/s（1000M）以上，而且还在提高，而并行传输在100Mb/s左右就停滞不前了，可以预见，串行传输将会比并行传输越来越快。
为此，串行传输已经成为当今外设接口的主流传输方式，为此，摩托罗拉公司开发出了同步外设接口(SPI)，并随着时间不断改进，由于其占用线的资源少，且稳定可靠，该总线大量用在与EEPROM、ADC、FLASH和显示驱动器之类的慢速外设器件通信，现在很多单片机等都有SPI模块来连接外围设备，从而使主机与外设传输数据更加方便。
1.2 SPI研究目的及意义
1.2.1 研究目的
SPI是一种同步串行通讯方式，是一种三线同步总线，它是一种常用的标准接口，由于其使用简单方便且节省系统资源，很多芯片都支持该接口，SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间等等。当然，串行通信还有其他的接口方式，SPI接口和UART相比，多了一条同步时钟线，对通信双方的时序要求不严格不同设备之间可以很容易结合，而且通信速度非常快。一般用在产品内部元件之间的高速数据通信上面，如大容量存储器等。这就凸现SPI的好处。为此，研究SPI接口，可以更容易了解并外围器件传输过程，并对其已定义的进行改进，并使之更加可靠，功能强化。
SPI接口的扩展有硬件和软件两种方法,软件模拟SPI接口方法虽然简单方便,但是速度受到限制，在高速且日益复杂的数字系统中，这种方法显然无法满足系统要求，所以采用硬件的方法实现最为切实可行。这使得与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。
SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的，但正因为没有确切的版本协议，不同厂家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法互联。
1.2.2 研究意义
当前，基于主从处理器结构的系统架构已经成为一种主流（如 DSP+FPGA,MCU+FPGA等），FPGA是在ASIC的基础发展出来的，它克服了专用 ASIC不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。目前，FPGA的容量已经跨过了百万门级，使得 FPGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一。在这种架构下，应用FPGA来构建SPI通信接口是切实可行的。并且FPGA是可编程并可重复擦写的，从而具有更大的灵活性，在协议不标准的情况下，可根据外围设备的不同而灵活的改动SPI设计，使设计周期大大降低，并与外围设备连接更加方便。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2 SPI的研究目的及意义 2
1.2.1研究目的 2
1.2.2研究意义 2
第二章 SPI原理分析 3
2.1 SPI介绍 3
2.2 SPI模式 4
2.2.1 SPI工作模式 4
2.2.2 SPI传输模式 4
2.3 SPI协议 5
2.4本章小结 6
第三章 方案论证 8
3.1设计方案 8
3.1.1在51系列单片机系统中实现 8
3.1.2用可编程逻辑器件设计SPI 8
3.2本章小结 9
第四章 SPI的电路设计 10
4.1 SPI设计系统的功能 10
4.2 SPI各部分具体实现 10
4.2.1 SPI系统中所用的寄存器 10
4.2.2 SPI速率控制 12
4.2.3 SPI控制状态机 12
4.2.4 SPI程序设计流程图 13
4.2.5 SPI设计程序 13
4.3 开发板上调试验证分析 14
4.4本章小结 18
结束语 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
20
致 谢 21
参考文献 22
附录1 23
附录2 27
第一章 绪论
1.1课题研究背景
数据传输有串行传输和并行传输两种方法。并行传输以其高速度占领了数据传输领域很长一段时间，采用并行传输的集成电路、外围设备可谓不计其数，从CPU、RAM/ROM到打印机。
从原理上讲，串行传输是按位传输方式，只利用一条信号线进行传输，例如：要传送一个字节（8位）数据，是按照该字节中从最高位逐位传输，直至最低位。
而并行传输是一次将所有一字节中8位信号一并传送出去。自然最少需要8根信号线。
如果按每次传送的数据流量来看，并行传输要远快于串行传输，在电脑发展初期，由于数据传输速率不是很高，并行传输还是很快的。
但并行传输也有它的缺点：
（1）干扰问题。
其根本原因是由于传输速率太快，一般达到100M以上，信号线上传递的频率将超过100MHz，想想看，调频收音机的频率也不过88~108MHz，也就是说，若用并行传输的话，是8根天线放在一起来传输信号，易发生干扰。但如果加强屏蔽，减小信号线间的耦合电容，是可以继续增大传输速率的，不过这将变得不现实，因为这必然导致信号线将耗用更多金属，截面积更大。
（2）并行传输速率提升困难的最主要原因是同步问题
并行传输时，发送器是同时将8位信号电平加在信号线上，电信号虽然是以光速传输的，但仍有延迟，因此8位信号不是严格同时到达接受端，速率小时，由于每一字节在信号线上的持续时间较长，这种到达时间上的不同步并不严重，随着传输速率的增加，与8位信号到达时间的差异相比，每一字节的持续时间显得越来越短，最终导致前一字节的某几位与后一字节的几位同时到达接受端，这就造成了传输失败，而且随着信号线的加长这种现象还会越发严重，直至无法使用。
串行传输由于只有一位信号在信号线上，没有位同步问题，因此传送频率可以继续提高，当前传输速率已经达到1Gb/s（1000M）以上，而且还在提高，而并行传输在100Mb/s左右就停滞不前了，可以预见，串行传输将会比并行传输越来越快。
为此，串行传输已经成为当今外设接口的主流传输方式，为此，摩托罗拉公司开发出了同步外设接口(SPI)，并随着时间不断改进，由于其占用线的资源少，且稳定可靠，该总线大量用在与EEPROM、ADC、FLASH和显示驱动器之类的慢速外设器件通信，现在很多单片机等都有SPI模块来连接外围设备，从而使主机与外设传输数据更加方便。
1.2 SPI研究目的及意义
1.2.1 研究目的
SPI是一种同步串行通讯方式，是一种三线同步总线，它是一种常用的标准接口，由于其使用简单方便且节省系统资源，很多芯片都支持该接口，SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间等等。当然，串行通信还有其他的接口方式，SPI接口和UART相比，多了一条同步时钟线，对通信双方的时序要求不严格不同设备之间可以很容易结合，而且通信速度非常快。一般用在产品内部元件之间的高速数据通信上面，如大容量存储器等。这就凸现SPI的好处。为此，研究SPI接口，可以更容易了解并外围器件传输过程，并对其已定义的进行改进，并使之更加可靠，功能强化。
SPI接口的扩展有硬件和软件两种方法,软件模拟SPI接口方法虽然简单方便,但是速度受到限制，在高速且日益复杂的数字系统中，这种方法显然无法满足系统要求，所以采用硬件的方法实现最为切实可行。这使得与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。
SPI接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的，但正因为没有确切的版本协议，不同厂家产品的SPI接口在技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法互联。
1.2.2 研究意义
当前，基于主从处理器结构的系统架构已经成为一种主流（如 DSP+FPGA,MCU+FPGA等），FPGA是在ASIC的基础发展出来的，它克服了专用 ASIC不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。目前，FPGA的容量已经跨过了百万门级，使得 FPGA成为解决系统级设计的重要选择方案之一。在这种架构下，应用FPGA来构建SPI通信接口是切实可行的。并且FPGA是可编程并可重复擦写的，从而具有更大的灵活性，在协议不标准的情况下，可根据外围设备的不同而灵活的改动SPI设计，使设计周期大大降低，并与外围设备连接更加方便。
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