【FPGA】SPI协议
1.SPI简介
SPI(Serial Perripheral Interface, 串行外围设备接口)是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术。SPI 总线在物理上是通过接在外围设备微控制器(PICmicro) 上面的微处理控制单元 (MCU) 上叫作同步串行端口(Synchronous Serial Port) 的模块(Module)来实现的, 它允许 MCU 以全双工的同步串行方式, 与各种外围设备进行高速数据通信。
SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟，AD转换器以及数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的、全双工、同步的通信总线，在芯片上只占用四根线（CS、MOSI、MISO、SCK），极大的节约了芯片的引脚。
| 优点 | 缺点 |
| 支持全双工，push-pull的驱动性能相比open-drain信号完整性更好； | 相比IIC多两根线 |
| 支持高速（100MHz以上） | 没有寻址机制，只能靠片选选择不同设备 |
| 协议支持字长不限于8bits，可根据应用特点灵活选择消息字长 | 没有从设备接受ACK，主设备对于发送成功与否不得而知 |
| 硬件连接简单 | 典型应用只支持单主控 |
| 相比RS232 RS485和CAN总线，SPI传输距离短 |
2.SPI接口
4线SPI器件有四个信号：
- 时钟(SPI CLK, SCLK)
- 片选(CS)
- 主机输出、从机输入(MOSI)
- 主机输入、从机输出(MISO)
产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同I2C接口相比， SPI器件支持更高的时钟频率。
SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。
上图显示了主机和从机之间的SPI连接。来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号。
MOSI和MISO是数据线。 MOSI将数据从主机发送到从机， MISO将数据从从机发送到主机。
在常规模式下，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能（拉低）片选信号， MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用于所选的从机。如果使能多个片选信号，则MISO线上的数据会被破坏，因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。
从图可以看出，随着从机数量的增加，来自主机的片选线的数量也增加。这会快速增加主机需要提供的输入和输出数量，并限制可以使用的从机数量。可以使用其他技术来增加常规模式下的从机数量，例如使用多路复用器产生片选信号。
在菊花链模式下，所有从机的片选信号连接在一起，数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中，所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机，该从机将数据提供给下一个从机，依此类推。
使用该方法时，由于数据是从一个从机传播到下一个从机，所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例。例如在图7所示的8位系统中，为使第3个从机能够获得数据，需要24个时钟脉冲，而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。下图显示了时钟周期和通过菊花链的数据传播。并非所有SPI器件都支持菊花链模式。
3.SPI通信
要开始SPI通信，主机必须发送时钟信号，并通过使能CS信号选择从机。片选通常是低电平有效信号。因此，主机必须在该信号上发送逻辑0以选择从机。 SPI是全双工接口，主机和从机可以分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。在SPI通信期间，数据的发送（串行移出到MOSI/SDO总线上）和接收（采样或读入总线(MISO/SDI)上的数据）同时进行。串行时钟沿同步数据的移位和采样。 SPI接口允许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。
SPI 设备间的数据传输之所以又被称为数据交换，是因为 SPI 协议规定一个 SPI 设备不能在数据通信过程中仅仅只充当一个 “发送者(Transmitter)” 或者 “接收者(Receiver)”。 在每个 Clock 周期内， SPI 设备都会发送并接收一个 bit 大小的数据， 相当于该设备有一个 bit 大小的数据被交换了。
SPI主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的SPI串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。
- 拉低对应CS信号线，表示与该设备进行通信
- 主机通过发送SCK时钟信号，来告诉从机写数据或者读数据。这里要注意，SCK时钟信号可能是低电平有效，也可能是高电平有效，因为SPI有四种模式，这个我们在下面会介绍
- 主机(Master)将要发送的数据写到发送数据缓存区(Menory)，缓存区经过移位寄存器(0~7)，串行移位寄存器通过MOSI信号线将字节一位一位的移出去传送给从机，同时MISO接口接收到的数据经过移位寄存器一位一位的移到接收缓存区。
- 从机(Slave)也将自己的串行移位寄存器(0~7)中的内容通过MISO信号线返回给主机。同时通过MOSI信号线接收主机发送的数据，这样两个移位寄存器中的内容就被交换。
SPI只有主模式和从模式之分，没有读和写的说法，外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。也就是说，你发一个数据必然会收到一个数据；你要收一个数据必须也要先发一个数据。
4.SPI时钟模式
时钟极性和时钟相位：在SPI中，主机可以通过寄存器配置选择SCK的时钟极性和时钟相位。
在空闲状态期间， CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。 CPHA位选择时钟相位。根据CPHA位的状态，使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。
根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。不同的从设备可能在出厂是就是配置为某种模式，这是不能改变的；但我们的通信双方必须是工作在同一模式下，所以我们可以对我们的主设备的SPI模式进行配置，通过CPOL（时钟极性）和CPHA（时钟相位）来控制我们主设备的通信模式，具体如下：
1. 时钟极性(CPOL)定义了时钟空闲状态电平：
CPOL=0，表示当SCLK=0时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于高电平时
CPOL=1，表示当SCLK=1时处于空闲态，所以有效状态就是SCLK处于低电平时
2. 时钟相位(CPHA)定义数据的采集时间。
CPHA=0，在时钟的第一个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样，在第2个边沿发送数据
CPHA=1，在时钟的第二个跳变沿（上升沿或下降沿）进行数据采样，在第1个边沿发送数据
下图显示了四种SPI模式下的通信示例。在这些示例中，数据显示在MOSI和MISO线上。传输的开始和结束用绿色虚线表示，采样边沿用橙色虚线表示，移位边沿用蓝色虚线表示。请注意，这些图形仅供参考。要成功进行SPI通信，用户须参阅产品数据手册并确保满足器件的时序规格。
SPI模式0,CPOL = 0,CPHA = 0: CLK空闲状态 = 低电平,数据在上升沿采样,在下降沿移出
SPI模式1,CPOL = 0,CPHA = 1:CLK空闲状态=低电平,数据在下降沿采样,在上升沿移出
SPI模式2,CPOL = 1,CPHA = 1:CLK空闲状态=高电平,数据在下降沿采样,并在上升沿移出
SPI模式3,CPOL = 1,CPHA = 0:CLK空闲状态=高电平,数据在上升沿采样,并在下降沿移出
5.SPI工作模式
SPI工作在3中模式下，分别是运行、等待和停止。
运行模式（Run Mode）：这是基本的操作模式
等待模式（Wait Mode）：SPI工作在等待模式是一种可配置的低功耗模式，可以通过SPICR2寄存器的SPISWAI位进行控制。在等待模式下，如果SPISWAI位清0，SPI操作类似于运行模式。如果SPISWAI位置1，SPI进入低功耗状态，并且SPI时钟将关闭。如果SPI配置为主机，所有的传输将停止，但是会在CPU进入运行模式后重新开始。如果SPI配置为从机，会继续接收和传输一个字节，这样就保证从机与主机同步。
停止模式（Stop Mode）：为了降低功耗，SPI在停止模式是不活跃的。如果SPI配置为主机，正在进行的传输会停止，但是在CPU进入运行模式后会重新开始。如果SPI配置为从机，会继续接受和发送一个字节，这样就保证了从机与主机同步。
6.SPI读写操作
- 标准SPI读写为例
- 片选---读指令---地址---数据读出
- 双路IO Dual I/O Fast Read Sequence Diagram
- 四路IO Quad I/O Fast Read Sequence Diagram
7.SPI寄存器
Motorola定义的SPI寄存器包括：
SPI Control Register 1 (SPICR1) 控制寄存器1
SPI Control Register 2 (SPICR2) 控制寄存器2
SPI Baud Rate Register (SPIBR) 波特率寄存器
SPI Status Register (SPISR) 状态寄存器 （只读 其余均可读可写）
SPI Data Register (SPIDR) 数据寄存器
通过往寄存器中写入不同的值，设置SPI模块的不同属性。
1. 控制寄存器1 SPICR1
SPIE — SPI中断启用位
1 = SPI中断已启用
0 = SPI中断已禁用
SPE — SPI系统启用位
1 = 启用SPI，端口引脚专用于SPI功能
0 = 禁用SPI（降低功耗）
SPTIE — SPI传输中断启用
1 = SPTEF中断已启用
0 = SPTEF中断已禁用
MSTR — SPI主/从模式选择位
1 = SPI处于主模式
0 = SPI处于从属模式
CPOL — SPI时钟极性位
1 = 已选择低电平时钟。在空闲状态下，SCK高.
0 = 已选择活动的高时钟。在空闲状态下，SCK低A.
CPHA — SPI时钟相位位
1 = 数据采样发生在SCK时钟的偶数边缘（2、4、6、…、16）
0 = 数据采样发生在SCK时钟的奇数边缘（1、3、5、…、15）
SSOE — 从属选择输出启用
SSOE 用于主设备设置SS管脚功能，它和MODFEN组合决定主设备SS管脚功能。如表1所示其功能组合：
LSBFE — LSB首次启用
1 = 数据首先传输最低有效位。
0 = 首先传输数据的最高有效位。
2. 控制寄存器2 SPICR2
MODFEN — 模式故障使能位
1 = 带MODF功能的SS端口引脚。
0 = SPI未使用SS端口引脚。
BIDIROE — 双向操作模式下的输出启用
控制双向模式（Bidirectional Mode）下主设备的MOSI和从设备MISO的输出缓冲器
1 = 输出缓冲区已启用
0 = 输出缓冲区已禁用
SPISWAI — SPI停止在等待模式位
1 = 在等待模式下停止SPI时钟生成
0 = SPI时钟在等待模式下正常工作
SPC0 — 串行引脚控制位0
控制（单个）数据管脚是否配置为双向模式，与BIDIROE组合控制（单个）数据管脚同时支持收发功能（如下表2）
3. 波特率寄存器 SPIBR
SPPR2–SPPR0 — 波特率预选位
SPR2–SPR0 — 波特率选择位
以上五个寄存器通过下面公式决定波特率除数因子（BaudRateDivisor），进而决定SCK时钟频率。
除数因子：（通过五个参数计算出来的除数因子不仅包括2^N，还包括4/6/10等总计64个组合）
计算波特率：
举例：SPPR[2:0]设为101，SPR[2:0]设为000，计算得除数因子(5+1) * (2^1) = 12。如果系统时钟速率为25MHz，则SCK时钟速率 = 25MHz/12 = 2.0833MHz.
4. 状态寄存器 SPISR
SPISR表征SPI传输状态，只可读，不可写。
SPIF — SPIF中断标志
数据byte写入SPI数据寄存器后，此位被置为1。读取数据寄存器后，此位清零。
1 = 新数据复制到SPIDR
0 = 传输尚未完成
SPTEF — SPI 传输空中断标志
1 = 表示发送数据寄存器为空，可以接收待发送数据
0 = 此时忽略任何写入数据寄存器的指令
MODF — 模式故障标志
如表1，错误检测功能使能后，MODF表示检测到SPI模式错误。
1 = 出现模式故障。
0 = 未发生模式故障
根据Motorola的定义，SPI仅提供一种错误——即模式错误（Mode Fault Error）——的检测机制，通过SS管脚状态判断SPI总线上是否存在两个及以上的设备同时驱动SCK和MOSI。模式错误检测仅适用于主设备（前提是在寄存器中激活此功能）。对于从设备，SS总是作为片选信号的。在发生模式错误后（MODF = 1），系统通过写入控制寄存器SPICR1（使设备由Master改为Slave模式，SCK、MISO和MOSI表现为高阻态以避免与总线上其它驱动设备冲突），随后系统自动将此bit置为零（MODF = 0）。
5. 数据寄存器 SPIDR
SPIDR作为SPI收发两用的寄存器，数据在写入SPIDR后进入待传输队列，队列中的数据字节在前面数据传输结束后立即进行传输。状态寄存器SPISR的SPTEF位表示数据寄存器可以接收新数据。数据寄存器接收数据完毕后将SPIF置为1。
如果SPIF已经置为1，但服务并未运行（not serviced），则下一个（第二个）接收的数据字节将暂存在移位寄存器中直到下次传输。数据寄存器中的数据字节不变。
如果SPIF已经置为1，并且移位寄存器中已经暂存数据（即第二个数据字节），并且SPIF服务在第三个数据字节传输前完成，则移位寄存器中的数据（即第二个数据字节 ）正常写入数据寄存器，SPIF仍保持置位状态（高），如图所示；
如果SPIF已经置为1，并且移位寄存器中已经暂存数据（即第二个数据字节），并且SPIF服务在第三个数据字节传输后完成，则移位寄存器中的数据（即第二个数据字节 ）遭破坏，不能正常写入到数据寄存器，SPIF仍保持置位状态（高），如图所示 。
【引用】
- SPI原理超详细讲解---值得一看
- SPI接口详细介绍_千里沽山的博客
- FPGA常用通信协议---SPI_工作使我快乐的博客
- FPGA(三)——基于FPGA的SPI通讯协议实现_Cilinx的博客
- 三大通信协议（3）SPI——寄存器配置_刻蓇铭鑫的博客
- 串行通讯SPI总线 - 知乎 (zhihu.com)