【连载】【FPGA黑金开发板】NIOS II那些事儿--SPI实验 (八)
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简介
这一节，我们来讲讲NIOS II中的SPI总线的用法。首先，我们来简单介绍一下SPI总线吧，SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口，是Motorola公司推出的一种同步串行通讯方式，是一种四线同步总线，因其硬件功能很强，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的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO（主入从出），MOSI（主出从入），SCK（时钟），CS（片选）。
（1）MISO – 主设备数据输出，从设备数据输入
（2）MOSI – 主设备数据输入，从设备数据输出
（3）SCK – 时钟信号，由主设备产生
（4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制
其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
SPI总线的理论知识就介绍这么多，想要看具体点的去网上百度一下吧。下面我们就开始SPI总线的开发旅程吧。
硬件开发
在我们开发板中网口部分是用SPI总线实现的，网络芯片是MICROCHIP公司的ENC28J60，我们先看一下这部分的电路，如下图所示，其中与SPI总线相关的有，LAN_MISO，LAN_MOSI，LAN_SCK这三个根线，其余的都是通过PIO模块实现的。而且有些线还用不到，比如LAN_nWOL。
我们这一节主要是教大家如何来实现SPI总线的功能，对于ENC28J60的原理相对复杂，在这里我就不详细讲解了，大家有兴趣的可以自己研究一下。
下 面我们就来构建SPI模块，进入SOPC BUILDER后，我们如下图所示，点击红圈处（SPI）
点击后，如下图所示，在这里面，我们有5个地方需要注意，
红圈1处是主从模式选择，我们选择主模式（Master）；
红圈2处是从设备的个数，我们选择1；
红圈3处是SPI时钟速率，我们选择10M，这个地方需要注意一下，我们设置的频率与实际的频率有时候是不一致的（下面显示的是实际频率），例如，我们输入50MHz，实际的频率只有25MHz。
红圈4处是数据的位数，我们选择8；
红圈5处是移位的方向，就是说串行数据过来时，是最高位先来还是最低位先来，我们选择MSB first。
处理好这些以后，点击Finish，完成构建。
接下来，我们还要构建两个PIO模块，一个用作CS信号控制，一个用作中断信号。之所以没有用SPI总线本身的CS，是由程序处理本身决定的。中断信号的PIO模块，构建过程需要注意一下内容，首先作为中断信号，是输入信号，所以在选择过程中，如下图所示，红圈1处选择为1，红圈2处选择Input ports only，仅作为输入端口，点击Next，进行下一步
点击后，进入下一步，如下图所示，外部中断要求电平触发，所以按红圈处选择方式。
然后，我们点击Finish，完成构建。
完成上述内容以后，我们需要对模块进行改名，如下图所示，
一切就绪，别忘了自动地址分配和中断分配。哦了，我们开始编译吧，等待……
编译好以后，我们回到Quartus界面，根据TCL脚本文件进行管脚分配，如下图所示
接下来我们运行脚本文件，进行编译，又一次漫长的等待……
编译成功以后，我们开始进行软件部分的开发
软件开发
打开NIOS II 9.0 IDE，然后进行编译，快捷键Ctrl+b，等待编译成功后，我们来看看system.h中多了些什么，如下表所示，
/* * LAN configuration * */ #define LAN_NAME "/dev/LAN" #define LAN_TYPE "altera_avalon_spi" #define LAN_BASE 0x00201020 …… /* * LAN_CS configuration * */ #define LAN_CS_NAME "/dev/LAN_CS" #define LAN_CS_TYPE "altera_avalon_pio" #define LAN_CS_BASE 0x00201060 …… /* * LAN_nINT configuration * */ #define LAN_NINT_NAME "/dev/LAN_nINT" #define LAN_NINT_TYPE "altera_avalon_pio" #define LAN_NINT_BASE 0x00201070 ……
我们需要以下内容
#define LAN_BASE 0x00201020 #define LAN_CS_BASE 0x00201060 #define LAN_NINT_BASE 0x00201070
接下来，我们需要对sopc.h进行修改，在其中加入以下代码
typedef struct{
volatile unsigned long int RXDATA;
volatile unsigned long int TXDATA;
union{
struct{
volatile unsigned long int NC :3;
volatile unsigned long int ROE :1;
volatile unsigned long int TOE :1;
volatile unsigned long int TMT :1;
volatile unsigned long int TRDY :1;
volatile unsigned long int RRDY :1;
volatile unsigned long int E :1;
volatile unsigned long int NC1 :23;
}BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}STATUS;
union{
struct{
volatile unsigned long int NC :3;
volatile unsigned long int IROE :1;
volatile unsigned long int ITOE :1;
volatile unsigned long int NC1 :1;
volatile unsigned long int ITRDY :1;
volatile unsigned long int IRRDY :1;
volatile unsigned long int IE :1;
volatile unsigned long int NC2 :1;
volatile unsigned long int SSO :21;
}BITS;
volatile unsigned long int CONTROL;
}CONTROL;
unsigned long int RESERVED0;
unsigned long int SLAVE_SELECT;
}SPI_STR;
这部分代码是根据《n2cpu_Embedded Peripherals.pdf》的第7-10页，如下表所示，结构体的顺序是根据下表的排列顺序进行设计的，与串口中结构体的道理相同。
除了上述结构体以外，我们还要在sopc.h中加入以下代码
#ifdef _LAN #define LAN ((SPI_STR *) LAN_BASE) #define LAN_CS ((PIO_STR *) LAN_CS_BASE) #endif /*_LAN */
修改好sopc.h以后，我们需要在inc文件夹下建立一个enc28j60.h，在其中加入以下内容，（这只是enc28j60.h文件中的一部分，还有很大一部分宏定义没有写出）
/*-----------------------------------------------------------
* Data Struct
*----------------------------------------------------------*/
typedef const struct{
unsigned char (* read_control_register)(unsigned char address);
void (* initialize)(void);
void (* packet_send)(unsigned short len,unsigned char * packet);
unsigned int (* packet_receive)(unsigned short maxlen,unsigned char * packet);
}ENC28J60;
/*----------------------------------------------------------
* external variable
*----------------------------------------------------------*/
extern ENC28J60 enc28j60;
大家可以看出，在我们的程序中，这样的结构体随处可见，在之前的串口程序，还是这个SPI程序，我们都在用。它的好处就在于，可以将零散的函数和变量整合在一起，通过结构体的形式来处理，大大提高了程序的可读性，也增强了程序的可维护性和可移植性。
处理好上述内容后，我们开始编写enc28j60的驱动程序，内容很多，我们截取其中一部分有关SPI的内容来进行讲解
/*
* ==============================================================
* Filename: enc28j60.c
* Description: enc28j60 device driver
* Version: 1.0.0
* Created: 2009-8-7 13:05:54
* Revision: none
* Compiler: Nios II IDE
* Author: AVIC
* Company: 金沙滩工作室
*
* ==============================================================
*/
/*---------------------------------------------------------------
* Include
*---------------------------------------------------------------*/
#include "../inc/enc28j60.h"
#include "../inc/sopc.h"
#include <stdio.h>
/*--------------------------------------------------------------
* Function Prototype
*-------------------------------------------------------------*/
static unsigned char enc28j60_read_control_register(
unsigned char address);
static void enc28j60_initialize(void);
static void enc28j60_packet_send(unsigned short len,
unsigned char * packet);
static unsigned int enc28j60_packet_receive(
unsigned short maxlen,unsigned char * packet);
/*------------------------------------------------------------
* Variable
*------------------------------------------------------------*/
//结构体初始化，注意初始化的写法
ENC28J60 enc28j60={
.read_control_register = enc28j60_read_control_register,
.initialize = enc28j60_initialize,
.packet_send = enc28j60_packet_send,
.packet_receive = enc28j60_packet_receive
};
static unsigned char enc28j60_bank = 1;
static unsigned short next_packet_pointer;
/*
* === FUNCTION ==============================================================
* Name: set_cs
* Description:
* ============================================================
*/
static void set_cs(unsigned char level)
{
if(level)
LAN_CS->DATA = 1;
else
LAN_CS->DATA = 0;
}
/*
* === FUNCTION ===============================================
* Name: enc28j60_write_operation
* Description: ENC28J60的写操作
* =============================================================
*/
static void enc28j60_write_operation(unsigned char op,
unsigned char address, unsigned char data)
{
//首先将CS置低，CS低电平有效
set_cs(0);
//首先是写命令，等待状态状态寄存器的TMT位，当该位为0，说明正在发送数据，当该位//为1时，说明发送完毕，此时寄存器为空
LAN->TXDATA = (op | (address & 0x1F));
while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));
//写数据，等待状态状态寄存器的TMT位，当该位为0，说明正在发送数据，当该位
//为1时，说明发送完毕，此时寄存器为空
LAN->TXDATA = data;
while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));
//发送完毕以后，将CS置高
set_cs(1);
}
/*
* === FUNCTION ================================================
* Name: enc28j60_read_operation
* Description: ENC28J60的读操作
* ==============================================================
*/
static unsigned char enc28j60_read_operation(unsigned char op,
unsigned char address)
{
unsigned char data;
//首先将CS置低，CS低电平有效
set_cs(0);
//首先是写命令，等待状态状态寄存器的TMT位，当该位为0，说明正在发送数据，当该位//为1时，说明发送完毕，此时寄存器为空
LAN->TXDATA = op|(address&0x1f);
while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));
//写数据，发送0x00，0x00是个随机数，为了使能时钟，发送的数据与硬件有关系
LAN->TXDATA = 0x00; //0x00 is random number ,to enable clock
while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));
//MAC和MII寄存器读的第一个字节是无效的，所以他们需要写两次
if(address&0x80){
LAN->TXDATA = 0x00;
while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));
}
//开始读数据
data = LAN->RXDATA;
//读完以后，将CS置高
set_cs(1);
return data;
}
对于网口这部分程序，需要结合TCP/IP协议才能进行通信，所以，这部分主函数就暂时不写了，等讲到TCP/IP协议那部分的时候，我们再进行讲解。
我们这一节主要是讲解SPI总线的使用方法，对于数据的收发都有所涉及，希望大家能够充分的理解其中的编程方法。有关ENC28J60的完整驱动，我将以附件形式提供给大家，这一节到此结束了，如果大家对这部分内容有疑问，可以加入我们的NIOS技术群，或者通过邮件形式与我沟通，谢谢大家。