本文簡單介紹Zynq中的SPI控制器。本文將“master”稱為“主機”；將“slave”稱為“從機”；將“slave slect”從機選擇簡稱為SS。

SPI控制器

Zynq中的SPI總線控制器能夠與各種外設(shè)通信，如存儲器、溫度傳感器、壓力傳感器、模擬轉(zhuǎn)換器、實時時鐘、任何支持串行模式的SD卡。SPI控制器可以工作在主機模式、從機模式、舵主模式。Zynq-7000系列包括2個SPI控制器。

主機模式：控制器驅(qū)動串行時鐘（源自PS時鐘系統(tǒng)）和從機選擇信號?？刂破饔?個從機選擇信號（Slave Select，簡稱SS），并且可以在外部擴展。控制器通過向32位的讀/寫數(shù)據(jù)端口寄存器寫入字節(jié)，實現(xiàn)讀取或?qū)懭霃臋C設(shè)備。

從機模式：控制器接收來自外部設(shè)備的串行時鐘，并使用SPI_Ref_Clk來同步數(shù)據(jù)捕獲。從機模式包括一個可編程的啟動檢測機制，當(dāng)SS信號有效時使能控制器。

多主模式：當(dāng)控制器處于無效狀態(tài)時，其輸出信號是三態(tài)的；當(dāng)控制器使能時，可以檢測連接錯誤。通過復(fù)位SPI使能位，控制器輸出將立刻轉(zhuǎn)換為三態(tài)。

SPI I/O接口和軟件之間有讀、寫FIFO，作為緩存。主機、從機I/O模式下都可使用FIFO。

控制器特性

每個SPI控制器可以獨立配置，包括如下特性：

四線式總線：MOSI（主機輸出-從機輸入）、MISO（主機輸入-從機輸出）、SCLK、SS，主機模式下有3個從機選擇信號；

全雙工工作，支持同時接收和發(fā)送；

通過APB從接口的32位可編程寄存器；

將讀/寫數(shù)據(jù)映射到Rx/Tx FIFO，以字節(jié)為單位；

主機模式下，可選擇手動或自動啟動數(shù)據(jù)傳輸、手動或自動從機選擇模式、從機選擇信號可以直接與從機設(shè)備連接，也可以在外部做擴展（比如3-8譯碼器）、可編程的SS和MOSI延遲；

從機模式下，可編程的啟動檢測模式；

當(dāng)SPI的I/O信號由MIO引腳引出時，SCLK為50MHz；由EMIO接口引出到PL管腳時，SCLK為25MHz；

可編程的時鐘相位和極性；

可選擇中斷驅(qū)動或輪詢狀態(tài)。

系統(tǒng)框圖

SPI控制器的系統(tǒng)框圖如下，簡單介紹一下各部分。

上圖中有兩個獨立的SPI接口控制器，每個控制器的I/O信號可以路由（Routing）到MIO管腳或EMIO接口。每個控制器有單獨的中斷信號（中斷ID 58和81）到PS中斷控制器，還有單獨的復(fù)位信號。每個控制器都有自己的一組控制寄存器和狀態(tài)寄存器。

PS時鐘子系統(tǒng)為SPI控制器提供一個參考時鐘SPI_Ref_Clk，用于控制器的邏輯功能，再通過波特率發(fā)生器產(chǎn)生用于主機模式的SCLK。

功能模塊框圖

SPI控制器的功能模塊框圖如下所示：

簡單介紹一下各部分：

APB接口：32位，用于響應(yīng)寄存器的讀、寫，處理數(shù)據(jù)端口和FIFO之間的讀寫命令和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)端口以字節(jié)（即[7:0]）為單位。

SPI主機：此時控制器要驅(qū)動SCLK，并輸出3個從機選擇信號。MOSI信號上的從機選擇和傳輸開始，可以在軟件中手動控制，也可以由硬件自動控制。

SPI從機：此時控制器只使用一個從機選擇的輸入信號（SS0）。SCLK與控制器的參考時鐘（SPI_Ref_Clk）同步。

Tx和Rx FIFO：每個FIFO都是128字節(jié)，軟件使用寄存器映射后的數(shù)據(jù)端口寄存器來讀、寫FIFO。FIFO橋接了兩個時鐘域：APB接口和控制器的SPI_Ref_Clk。

主機模式

SPI I/O接口向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，或者接收從機的數(shù)據(jù)?？刂破饕淮沃荒苓x擇一個從機設(shè)備。如果從機設(shè)備超過3個，可以使用3-8譯碼器，將3個從機選擇信號擴展為8路。

1.數(shù)據(jù)傳輸

發(fā)送：SCLK和MOSI信號由主機控制。軟件把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫入TxFIFO，由手動或自動的方式啟動傳輸，數(shù)據(jù)驅(qū)動到MOSI（主輸出-從輸入）管腳上。只要TxFIFO中有數(shù)據(jù)便會連續(xù)傳輸。

接收：數(shù)據(jù)從MISO（主輸入-從輸出）管腳上串行接收數(shù)據(jù)，一次加載8bit到RxFIFO中，軟件讀取RxFIFO。每向TxFIFO寫n字節(jié)數(shù)據(jù)，也會有n字節(jié)數(shù)據(jù)存儲在RxFIFO中，軟件必須讀取完這些數(shù)據(jù)后才能開啟下一次傳輸。

2.自動/手動SS與啟動

SPI I/O接口上的數(shù)據(jù)傳輸可以通過軟件手動啟動，也可以由控制器硬件自動啟動。從機選擇也可以由軟件或硬件完成。四種情況總結(jié)如下表：

軟件中要通過Tx/Rx FIFO的閾值級別來避免FIFO中數(shù)據(jù)不夠或溢出。當(dāng)TxFIFO中的字節(jié)數(shù)小于TxFIFO閾值級別時，標(biāo)記TxFIFO Not Full狀態(tài)；當(dāng)RxFIFO中的字節(jié)數(shù)達到128時，標(biāo)記RxFIFO Full狀態(tài)。

從機模式

控制器接收來自外部主機的數(shù)據(jù)，同時輸出一個應(yīng)答。SCLK鎖存MOSI（輸入）信號上的數(shù)據(jù)。如果SS（輸入）信號為無效狀態(tài)，控制器便忽略MOSI上的輸入。當(dāng)SS有效時，在傳輸期間必須持續(xù)保持有效狀態(tài)。如果傳輸過程中SS變?yōu)闊o效，控制器會發(fā)出中斷，以提醒用戶。

軟件把要發(fā)送給主機的數(shù)據(jù)寫入TxFIFO中，然后控制器將其串行化到MISO信號上。當(dāng)TxFIFO中有數(shù)據(jù)且SS信號持續(xù)有效時，將保持傳輸狀態(tài)。SS輸入管腳必須由SCLK輸入同步驅(qū)動?？刂破鞴ぷ髟赟PI_Ref_Clk時鐘域，輸入信號也是在SPI_Ref_Clk域中同步并進行分析。

從機模式在SPI_Ref_Clk時鐘域中檢測一個字（word）的開始，有兩種情況：

啟用控制器時檢測：如果在SS無效時使能了控制器，控制器將忽略數(shù)據(jù)，等待SCLK變?yōu)榉腔钴S狀態(tài)，然后捕獲數(shù)據(jù)。SCLK不活躍時，控制器在SPI_Ref_Clk域中計數(shù)，達到設(shè)定值（可編程）時，便假定有一個新字（word）。

SS有效時檢測：啟用控制器且SS被檢測為無效時，當(dāng)SS轉(zhuǎn)為有效后，下一個SCLK的活躍邊沿便被控制器認(rèn)為是一個字的開始。

一個“開始”必須在至少4個SPI_Ref_Clk周期內(nèi)保持有效狀態(tài)。在外部主機“馬上”開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，才使能從機模式，這樣會有概率（很?。┌l(fā)生同步錯誤的情況?？梢圆捎萌缦麓胧┍苊膺@個問題：

在使能從機模式后，確保至少10個SPI_Ref_Clk周期后外部主機才開始數(shù)據(jù)傳輸；

確保在使能了外部的主機模式后，再使能從機模式；

確保當(dāng)使能從機時SS輸入信號為無效狀態(tài)。

控制器的FIFO

Rx和Tx FIFO各有128個字節(jié)深度。如果控制器試圖將數(shù)據(jù)送入到一個已滿的RxFIFO，該數(shù)據(jù)將會丟失，同時設(shè)置溢出（overflow）標(biāo)志。如果TxFIFO已滿，則不要向其寫入更多數(shù)據(jù)。當(dāng)TxFIFO的級別高于TxFIFO_Not_FULL的閾值級別時，會保持Tx_FIFO_FULL狀態(tài)。如果我們向已滿的TxFIFO寫數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)會丟失且不會發(fā)出任何指示（比如中斷）。

上圖展示兩個FIFO各自的中斷情況。

SPI協(xié)議詳解

主機模式下，控制器支持幾種不同的I/O信號關(guān)系，4種時鐘相位（CLK_PH）和極性（CLK_POL）的配置組成了通常所說的4種SPI模式。不同的配置參數(shù)主要影響SCLK的活躍邊沿、SS的選擇、SCLK的空閑狀態(tài)。具體見下表（高電平無效，低電平有效）：

如果以前沒有專門了解過SPI協(xié)議，看到這個表可能頭都要大了，我們結(jié)合下面的解釋和時序圖加深自己的理解（表頭，將上表參數(shù)部分看作4×4的矩陣）。

當(dāng)CLK_PH=0時，設(shè)定的一段時間內(nèi)，主機設(shè)備自動驅(qū)動SS輸出為無效狀態(tài)（表[3,1]與[3,2]），最小保持2個SPI_Ref_Clk的周期。兩個字間有最短3個SPI_Ref_Clk周期的延遲，這段延遲內(nèi)卸載（unload）TxFIFO，為下一次并-串轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備，并將SS切換為無效。

當(dāng)CLK_PH=1時，字之間的SS輸出信號仍保持有效狀態(tài)（表[3,3]和[3,4]）。兩個字之間的最小延遲可達1個SPI_Ref_Clk周期，同樣會卸載（unload）TxFIFO，為下一次并-串轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

下面看CLK_PH=0時的時序圖。以POL=0為例，“驅(qū)動邊沿”是指下降沿（表[1,1]）處驅(qū)動bit間的切換，“采樣邊沿”是指上升沿處（表[2,1]）對信號采樣，此時正好位于數(shù)據(jù)中央。POL=1時，恰好相反（表[1,2]和[2,2]）。

下面看CLK_PH=1的時序圖，情況如上類似（表[1,3]、[1,4]、[2,3]、[2,4]）。

SPI還有一種“背靠背（back-to-back）”傳輸模式，即連續(xù)傳輸字（word），時序見下圖：

看到CLK_PH=0時，字間SS會有短暫的無效狀態(tài)；而CLK=1時，SS持續(xù)有效。

SPI信號路由

SPI接口信號可以路由到MIO管腳（50MHz）或EMIO接口（25MHz）。使用EMIO接口時，用戶必須在PL部分創(chuàng)建邏輯，將SPI EMIO接口直接連到PL管腳上的I/O Buffer。

用于可以連接每個SPI控制器和外部的SPI從機設(shè)備。在主機模式下，如果不使用SS0信號，則必須將其連接到VCC。這是因為主機模式下，控制器會檢查這個信號以判斷是否是多主機模式。如果SS0為邏輯低，控制器會假設(shè)為多主機模式，發(fā)出命令前會一直等待SS0變?yōu)闊o效。

路由到MIO的主機模式框圖如下，SS信號直接相連的情況下，最多可以連接3個從機設(shè)備：

路由到EMIO的主機模式框圖如下，確保使能了PS-PL電壓電平轉(zhuǎn)換器，且為PL提供電源和配置，否則SPI控制器將無法工作：

路由到MIO的從機模式框圖如下：

將SPI接口路由到MIO接口時的配置很簡單，配置ZYNQ IP核，選擇MIO管腳即可。路由到EMIO則有點麻煩，很多人看到這么多信號可能都懵了，我的天，不應(yīng)該只有簡簡單單的SCLK、MOSI、MISO、SS0、SS1、SS2共6根線就夠了嗎？

在EMIO接口上可用的SPI I/O接口信號雖然只有6“種”，但絕不是6“根”，很多信號都有3態(tài)接口。以SPI 0為例，14根信號如下表所示（一般我們不會全部用到）：

原文鏈接：https://blog.csdn.net/FPGADesigner/article/details/88932544