0 引言
    串行接口已成為當前傳輸接口的發展趨勢，原因在于串行的高速率傳輸性能和較簡單的線路連接。在已知的外圍器件連接端口中，有USB，wishbone和并行端口。其中SPI接口總線基于串行傳輸的思想，已經制定成為標準，成為常用的外圍器件連接方式。針對FLASH這種常用的外圍存儲器件，有多種接口可供選擇，然而具有SPI接口的FLASH芯片硬件連接方便，通過FPGA" title="FPGA">FPGA編程可以便捷地實現FLASH的存取功能。因此基于FPGA的具有SPI總線" title="SPI總線">SPI總線接口的FLASH功能實現為工程設計提供了一種原型，為進一步的工程開發奠定了基礎。

1 SPI總線介紹
1．1 SPI總線簡介
    同步外設接口(serial peripheral，interface，SPI)是由摩托羅拉公司開發的全雙工同步串行總線。SPT是一種串行同步通信協議，由1個主設備和1個或多個從設備組成，主設備啟動一個與從設備的同步通信，從而完成數據的交換。
1．2 SPI總線接口及時序
    SPI接口由SDI(串行數據輸入)，SDO(串行數據輸出)，SCK(串行移位時鐘)，CS(從使能信號)四種信號構成，CS決定了惟一的與主設備通信的從設備，如沒有CS信號，則只能存在一個從設備，主設備通過產生移位時鐘來發起通信。通信時，數據由SDO輸出，SDI輸入，數據在時鐘的上升沿或下降沿從SDO輸出，在緊接著的下降沿或上升沿由SDI讀入，這樣經過8／16次時鐘改變，完成8／16位數據的傳輸。
    在SPI傳輸中，數據是同步進行發送和接收的。數據傳輸的時鐘基于來自主處理器的時鐘脈沖，摩托羅拉沒有定義任何通用SPI時鐘規范。然而，最常用的時鐘設置基于時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)兩個參數；CPOL定義SPI串行時鐘的活動狀態，而CPHA定義相對于數據位的時鐘相位。CPOL和CPHA的設置決定了數據取樣的時鐘沿。
    SPI模塊為了與外設進行數據交換，根據外設工作要求，其輸出串行同步時鐘極性和相位可以進行配置，時鐘極性(CPOL)對傳輸協議沒有大的影響。如果CPOL=0，串行同步時鐘的空間狀態為低電平；如果CPOL=1，串行同步時鐘的空間狀態為高電平。時鐘相位(CPHA)能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協議之一進行數據傳輸。如果CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿(上升或下降)數據被采樣；如果CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿(上升或下降)數據被采樣。SPI主模塊和與之通信的外設時鐘相位與極性應該一致。SPI接口時序如圖1所示。

2 基于FPGA的SPI接口設計
    SPI接口適用于主芯片與從芯片的連接，在一個FPGA系統中，充當主芯片的為FPGA可編程芯片，而FLASH芯片作為外圍從芯片通過SPI接口連接至FPGA芯片。該系統選用Lattice公司的FPGA芯片，該公司的產品線齊全，其中ECP2M" title="ECP2M">ECP2M系列芯片功能全面，開發成本低廉。ECP2M系列芯片支持SPI接口，通過硬件電路的簡單設計即可完成SPI接口的物理連接，進一步利用Lattice的工程開發EDA軟件進行FPGA編程，實現SPI接口控制。對接口的設計采用RAM作為讀／寫緩沖，完成主程序和FLASH之間的數據交換，各模塊結構示意圖如圖2所示。

    圖2中ram_wr寫端口數據寬度設置為32位，地址深度設為128位；讀端口為1位位寬，這是由SPI端口的串行性決定的；ram_rd讀端口與ram _wr寫端口相對應。RAM模塊如圖3所示。

3 SPI接口實現及FLASH功能驗證
3．1 M25P64串行FLASH芯片介紹
    M25P64串行芯片由STMicro公司生產，它具有64 Mb容量，最高時鐘頻率可達50 MHz同時采用SPI總線接口。該FLASH芯片的存儲空間劃分為128區，每區為65 536 B。在芯片中，其中D為數據串行輸入端；C為時鐘輸入；為低電平有效片選信號；和分別為寫保護和暫停保持輸入，Q為串行輸出端。該芯片的指令豐富，功能完備，常用的指令如：讀／寫使能、讀／寫狀態寄存器、讀數據、頁編程以及區塊擦除等。

    該芯片由一個微控制器控制，SPI接口有種工作模式分別為；CPOL=0，，CPHA=O和CPOL=1，CPHA=1，兩者區別為在SPI主端不傳數據時，時鐘的電平前者為0，后者為1。在里采用CPOL=0，CPHA=模式。
3. 2 工程環境設置及SPI接口設計
    Lattice公司的FPGA工程開發EDA軟件名為ispLEVER，其7．2版本為較新版本。該版本集合了IPExpress，Reveal Logic Analyzer等實用工具，可用于添加Lattice公司開發的IP核以及在線邏輯仿真等。ispLEVER 7．2的默認仿真工具為Active-HDL仿真器，由于需要采用Model-Sim仿真器，因此安裝ModleSim 6．2b版本。對仿真軟件成功安裝后，加入pcsc_mti_work，pcsc_mti_work_revA，ecp2m_vlg和pmi_work四個仿真庫并進行編譯。編譯完成后啟動ispLEVER 7．2，在"options"菜單中修改環境變量和默認仿真工具，使得ModelSim連接圖標出現在工具欄中成為工程的仿真工具。
    進入ispLEVER 7．2的編輯界面，開始建立工程，首先選擇器件型號，這里采用LatticeECP2M系列中的LFE2MSOE型號芯片，并選擇封裝類型為FPGAB-GA672，速度級別為-5。器件選定后，建立FLASH_contro]工程文件和testbench測試文件，同時用IP Express生成讀／寫RAM模塊。
    在主程序中編寫RAM控制段和SPI接口控制程序段，用狀態機完成對RAM的控制，狀態機在idle，read，write和config之間跳轉。在向FLASH寫數據時，應先寫入寫使能指令，完成后寫入頁編程指令，隨后寫入地址，最后寫入數據；從FLASH讀數據的過程大致相同，但應首先寫入讀使能指令，然后寫入讀數據指令。應當注意的是讀指令的時鐘頻率低于寫指令，具體頻率要求可參照芯片說明手冊。
3．3 SPI接口功能驗證
    在線邏輯分析儀(reveal logic analyzer)是較為先進的EDA工具，它能提類似于功能仿真的波形示意圖，這些波形是通過在FPGA芯片運行過程中實時抓取出來的。它真實地再現了FPGA芯片內部的動態信號狀況，使工程開發人員能直觀的發現問題，修正邏輯。仿真綜合通過后，將程序下載至FPGA芯片中，用Reveal Inserter插入在線邏輯分析信號，采樣點數設定為2 048個點，分析信號會在工程目錄中生成一個相關文件，綜合后將數據文件下載至Lattice芯片中，采用人工觸發后，即可在在線邏輯分析儀中觀察信號波形。截取的波形如圖4所示。

    從圖4可看出，在時鐘C的8個有效周期寫入寫使能指令，寫使能指令通過D信號線串行進入FLASH芯片，指令的寫入過程應保證S信號低電平，8個周期的指令輸入完畢后S回復為高電平。在SPI總線主端的RAM控制信號由狀態機控制，instructions為8位的寄存器，用于存儲指令；RAMl_dout對應ram_wr的輸出端口。
    圖5為數據指令后讀出數據的波形圖，數據從Q信號線讀出并進入ram_rd。在讀數據周期S保持低電平，數據的輸出在時鐘的下降沿發生，在讀指令完成后，state狀態寄存器回復至空閑狀態。

4 結語
    SPI總線是當前流行的串行接口的一種，它滿足工程設計的要求，使開發人員能夠簡單迅速的完成設計工作，實現功能要求。將它與FPGA編程結合，利用FPGA的靈活性，使電子設計能夠在很短的周期內完成，符合當今電子設計的要求。本文通過實現帶有SPI總線接口的FLASH芯片功能，驗證了基于FPGA設計的SPI接口的正確，實現了FLASH芯片的讀／寫功能。