一种通用SPI总线接口的FPGA设计与实现

2.3 FIFO模块由于微处理器的写数据速率远比串口输出速率快得多，所以必须先将数据保存于缓冲区，FIFO的容量应根据通信数据量的大小来确定，在本设计中，由于数据量不大，所以定义了一个 64 X 8位的异步 FIFO寄存器，用于保存收发数据，用 VHDL硬件描述语言描述的FIFO是一个 64 X 8位的数组。模块包括两个时钟信号，写入和读出数据总线，满标志和空标志信号，当 FIFO为满标志时，写入的数据将被忽略。
2.4配置模块 该模块设计了2 个 3 X 12位的RAM，一个用于保存主机模块配置参数，另一个用于保存从机模式配置参数，每次主从机模式切换时将配置参数发送到数据收发模块。数据收发模块根据配置参数调整分频倍数、相位、输出顺序（高位先出或低位先出）、帧长度等。
2.5数据收发模块

该模块实现与从设备的通信。在主机模式下，将 FIFO的并行数据进行并串变换，然后通过 MOSI引脚输出数据，并同时输出驱动时钟和控制信号（低电平）。在从机模式下将串行输入的数据串并变换后写入 FIFO模块中。
四、仿真与验证
将用 vhdl描述好的SPI接口电路用 synplify进行综合，然后用 modelsim软件进行仿真。先仿真微处理器通过SPI接口发送数据过程，在地址总线上输入指令寄存器地址，在数据总线上输入发送数据指令，工作时钟为89.6M，然后在地址总线上输入写数据寄存器地址，在数据总线上输入数据 01010101。得到如图 3所示的部分管脚的波形。

然后仿真从设备发送数据过程，首先往SPI模块的 ss管脚输入低电平，同时从 sclk管脚输入驱动时钟，在 mosi管脚输入数据，得到图 4所示的波形。

用 quartus软件进行编译后，将生成的网表文件通过 JTAG下载到 altera公司的 acex1k系列 EP1k30TC144-3运行，配合设计好的单片机程序，分别给FPGA输入 44.8M和 89.6M工作时钟，在 quartus的 signal tap的辅助分析下都得到了正确的结果。 EP1k30TC144-3芯片共有1728个逻辑单元，本设计使用了 138个，占系统资源的7%，是个比较理想的结果。
五、结束语随着半导体技术的进步，FPGA的价格越来越便宜，工作频率越来越高，使用FPGA实现 SPI通信接口是切实可行的，本文作者创新点： 1、将总线控制信号封装成指令，使用者只需通过发送指令的方式操作，避免了复杂的
时序逻辑设计问题。 2、可以在 SPI工作过程中随时调整配置参数。 3、充分考虑了可测试性设计，使用者可随时查看 SPI总线工作状态。