《深入解析SPI协议及其FPGA高效实现》-- 第一篇：SPI协议基础与工作机制

第一篇：SPI协议基础与工作机制

1. 串行外设接口导论

1.1 SPI的核心定位

协议本质 ：
全双工同步串行协议（对比UART异步、I²C半双工）
核心优势 ：
- 无寻址开销（通过片选直连）
- 时钟速率可达100MHz+（I²C通常≤1MHz）
- 无复杂的仲裁/应答机制
典型应用场景 ：

设备类型	代表芯片	时钟速率
NOR Flash	Winbond W25Q128JV	104 MHz
加速度传感器	ADXL345	5 MHz
TFT液晶控制器	ILI9341	10 MHz

1.2 拓扑结构与信号线

四线制基础架构 ：

SCK ：主设备输出的同步时钟（关键时序参考）
MOSI ：主出从入（Master Output Slave Input）
MISO ：主入从出（Master Input Slave Output）
CS/SS ：从设备片选（低电平有效，每个从设备独立）
多从机连接方案 ：
独立片选 ：主设备提供N个CS信号 → 占用IO多但控制简单
菊花链 ：所有从设备共享CS，数据级联传输 → 节省IO但延迟增加

Master → [Slave1] → [Slave2] → ... → MISO回主设备

2. 协议层深度解析

2.1 时钟极性（CPOL）与相位（CPHA）

四种模式定义 ：

模式 CPOL CPHA 时钟空闲电平 数据采样沿

0 0 0 Low 上升沿

1 0 1 Low 下降沿

2 1 0 High 下降沿

3 1 1 High 上升沿
模式0时序详解 （最常用）：
建立时间（Setup Time） ：数据在采样沿前必须稳定的最小时间

tSU≥0.5×TSCK(典型值)
t SU ≥0.5 ×T SC**K(典型值)
保持时间（Hold Time） ：数据在采样沿后必须保持的最小时间

tH≥0.3×TSCK(典型值)
t H≥0.3 ×T SCK (典型值)

模式	CPOL	CPHA	时钟空闲电平	数据采样沿
0	0	0	Low	上升沿
1	0	1	Low	下降沿
2	1	0	High	下降沿
3	1	1	High	上升沿

2.2 帧结构与数据传输

数据位顺序控制 ：

MSB First （默认）：最高位先传输（如0xAA = 1_0_1_0_1_0_1_0）

LSB First ：最低位先传输（0xAA = 0_1_0_1_0_1_0_1）

Verilog实现 ：

assign mosi = msb_first ? data_reg[7] : data_reg[0];
always @(posedge sck) begin
data_reg <= msb_first ? {data_reg[6:0], 1'b0} : {1'b0, data_reg[7:1]};
end
多字节传输连续性 ：
CS保持低电平 ：帧间无空闲时钟，SCK连续运行
应用场景 ：Flash存储器连续读（节省CS切换时间）

2.3 片选（CS）协议

硬件CS时序要求 ：

参数	公式	说明
CS建立时间（t_CS_SU）	≥2 T_SCK	CS激活到首个SCK边沿的延迟
CS撤销时间（t_CS_HD）	≥1 T_SCK	末个SCK边沿到CS撤销的延迟

软件模拟CS的缺陷 ：
GPIO切换延迟（>100ns）导致t_CS_SU违例 → 需降频使用

3. 电气特性与物理层

3.1 电压兼容性设计

电平转换方案 ：

主设备电压	从设备电压	解决方案
3.3V	5V	单向电平转换器（如TXB0104）
1.8V	3.3V	双向自动方向转换器（如SN74LVC8T245）

驱动能力计算 ：
最大负载电容公式 ：
C_LO AD ≤t_R/(0.5 ×R_DRIVE)
例如：t_R=10ns, R_DRIVE=50Ω → C_LOAD ≤ 400 pF

3.2 信号完整性优化

阻抗匹配方案 ：

问题现象	解决方案	电路示意图
信号振铃	源端串联电阻（22-33Ω）	SCK ──[R]─→ Slave
MISO回波反射	并联终端电阻（50Ω对地）	MISO ──[R]─┐ GND

4. SPI变种与扩展

4.1 四线SPI（QSPI）

协议加速原理 ：
信号线扩展 ：
- IO0（MOSI）、IO1（MISO）、IO2（WP#）、IO3（HOLD#）
数据传输模式 ：

模式	数据线数量	带宽增益
Standard SPI	1	1x
Dual SPI	2	2x
Quad SPI	4	4x

应用实例 ：
Winbond W25Q128JV在Quad模式下速率可达80MB/s（对比20MB/s标准SPI）

4.2 菊花链（Daisy-Chain）

数据流转发机制 ：

复制代码

主设备发送: [Data1][Data2][Data3] → 
Slave1接收Data1，转发[Slave1_Data][Data2][Data3] → 
Slave2接收Data2，转发[Slave2_Data][Slave1_Data][Data3] → 
主设备最终接收: [Slave3_Data][Slave2_Data][Slave1_Data]

级联移位寄存器实现 ：
verilog

复制代码

always @(posedge sck) begin
  if (cs_n == 0) begin
    shift_reg <= {shift_reg[14:0], mosi};  // 16位移位寄存器
    miso <= shift_reg[15];  // 输出最高位
  end
end

4.3 三线半双工SPI

省IO方案 ：

合并MOSI/MISO为SIO线（双向传输）
方向切换时序 ：

主设备发数据: 驱动SIO输出从设备回数据: 主设备释放SIO（高阻态），从设备驱动SIO

附录：SPI模式配置速查表

设备类型	推荐模式	最大时钟	特殊要求
AT25 SPI Flash	Mode 0	50 MHz	CS撤销后等待1μs
NXP IMU传感器	Mode 3	10 MHz	数据LSB优先
TI ADC128S022	Mode 1	8 MHz	CS激活期间SCK持续

关键结论 ：

模式选择 ：工业设备普遍采用Mode 0（85%场景），Mode 3用于特定传感器
速率瓶颈 ：长走线（>20cm）需降至10MHz以下，PCB阻抗匹配决定上限
变种选择 ：QSPI适用于>50MB/s需求，三线制适合IO极度受限场景