Verilog功能模块--SPI主机和从机(03)--SPI从机设计思路与代码解析

前言

上一篇文章介绍了Verilog功能模块------SPI主机，包括主机设计思路与使用方法。

本文则用纯Verilog设计了功能完整的4线SPI从机，与网上一些以高频率clk时钟模拟从机不同，本文中的SPI从机工作时钟来源于主机的sclk，符合SPI同步通信的原则。

本文详细说明了模块编码思路和使用注意事项，最后分享了源码。

一、模块功能

本Verilog功能模块------SPI从机实现了SPI协议要求的完整时序控制，具体功能如下：

同步通信，工作时钟来源于主机的sclk
支持所有4种SPI模式，通过SPI_MODE参数配置；
数据位宽通过DATA_WIDTH参数可配置(1-32位)；
采用异步复位设计。

二、模块框图

三、信号接口

3.1 参数列表

参数名	类型	默认值	说明
SPI_MODE	integer	3	SPI模式, 可选0, 1, 2, 3 (默认)
DATA_WIDTH	integer	16	单次通信发送或接收数据的位宽, 最小为2, 常见8/16

3.2 接口信号列表

信号分组	信号名	方向	说明
外部控制SPI信号	spi_slave_tx_is_busy	output	SPI繁忙指示, 高电平表示SPI正在工作
	spi_slave_tx_data $DATA_WIDTH-1:0$	input	SPI发送数据, 数据总是高位先发
	spi_slave_rx_data $DATA_WIDTH-1:0$	output	SPI接收数据, 最先读出的数据在最高位
	spi_slave_rx_data_valid	output	SPI接收数据有效指示，高电平有效
SPI硬线链接	spi_cs_n	input	片选, 低电平有效
	spi_sclk	input	SPI时钟, 从机提供
	spi_mosi	input	从机输出从机输入
	spi_miso	output	从机输入从机输出
复位	arstn	input	异步复位, 低电平有效

四、编码思路

通过参数控制SPI模式、数据位宽、时钟频率与三种时序参数

verilog 复制代码

parameter integer SPI_MODE   = 3, // SPI模式, 可选0, 1, 2, 3 (默认)
parameter integer DATA_WIDTH = 16 // 单次通信发送或接收数据的位宽, 最小为1, 常见8/16

对参数进行有效性检查，限制参数赋值

verilog 复制代码

//++ 参数有效性检查 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
initial begin
  if (SPI_MODE != 0 && SPI_MODE != 1 && SPI_MODE != 2 && SPI_MODE != 3)
    $error("SPI_MODE must be 0, 1, 2, 3");
  if (DATA_WIDTH <= 0)
    $error("DATA_WIDTH must be >= 1");
end
//-- 参数有效性检查 ------------------------------------------------------------

暂存cs_n信号的上一状态，作为加载发送数据的控制信号

verilog 复制代码

//++ 片选状态跟踪 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
reg spi_cs_n_old; // 片选跳变前一瞬间的状态, 跳变结束后会变为新值
always @(posedge spi_cs_n or negedge spi_cs_n or negedge arstn) begin
  if (~arstn)
    spi_cs_n_old <= 1'b1;
  else
    spi_cs_n_old <= spi_cs_n;
end
//-- 片选状态跟踪 ------------------------------------------------------------


//++ 发送数据 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
/*
原则是先采样再移位
*/
reg [$clog2(DATA_WIDTH+1)-1:0] sample_cnt; // 采样计数
reg [DATA_WIDTH-1:0] tx_data_lsfr;// 移位寄存器

generate
if (SPI_MODE == 0 || SPI_MODE == 3) begin // 下降沿移位, 第一个下降沿移位
  always @(negedge spi_sclk or negedge spi_cs_n) begin
    if (spi_cs_n_old)
      tx_data_lsfr <= spi_slave_tx_data;  // 片选下降沿加载发送数据
    else if (~spi_cs_n && sample_cnt != 'd0)
      tx_data_lsfr <= tx_data_lsfr << 1;
    else
      tx_data_lsfr <= tx_data_lsfr;
  end
end else begin // 上升沿移位, 第一个上升沿不移位
  always @(posedge spi_sclk or negedge spi_cs_n) begin
    if (spi_cs_n_old)
      tx_data_lsfr <= spi_slave_tx_data;  // 片选下降沿加载发送数据
    else if (~spi_cs_n && sample_cnt != 'd0)
      tx_data_lsfr <= tx_data_lsfr << 1;
    else
      tx_data_lsfr <= tx_data_lsfr;
  end
end
endgenerate

assign spi_miso = spi_slave_tx_is_busy ? tx_data_lsfr[DATA_WIDTH-1] : 1'bz; // 三态输出控制
//-- 发送数据 ------------------------------------------------------------

注意这里的spi_cs_n_old ，它是SPI同步从机最关键的代码，如果用~spi_cs_n，那么在整个传输中，spi_cs_n都是低电平，后续代码都无法执行了，所以只能用spi_cs_n_old，它只在spi_cs_n下降沿执行一次。

五、使用说明

verilog 复制代码

// SPI从机外部控制信号
output wire spi_slave_tx_is_busy, // 指示SPI从机正在发送, 高电平有效
input  wire [DATA_WIDTH-1:0] spi_slave_tx_data,        // 发送数据
output reg  [DATA_WIDTH-1:0] spi_slave_rx_data,        // 接收数据
output reg                   spi_slave_rx_data_valid,  // 接收数据有效

外部模块只需控制spi_slave_tx_data即可，此信号会在每个spi_cs_n下降沿锁存。

六、仿真验证

见本系列文章------Verilog功能模块--SPI从机和从机(04)--SPI从机从机回环仿真与实测。

七、源码分享

源码在Gitee与Github开源，两平台同步：

Gitee：Verilog功能模块--SPI主机和从机: Verilog功能模块--SPI主机和从机 https://gitee.com/xuxiaokang/verilog-function-module--SPI-Master-Slave

Github：zhengzhideakang/Verilog--SPI-Master-Slave: verilog-function-module--SPI-Master-Slave https://github.com/zhengzhideakang/Verilog--SPI-Master-Slave

如果本文对你有所帮助，欢迎点赞、转发、收藏、评论让更多人看到，赞赏支持就更好了。

如果对文章内容有疑问，请务必清楚描述问题，留言评论或私信告知我，我看到会回复。

徐晓康的博客持续分享高质量硬件、FPGA与嵌入式知识，软件，工具等内容，欢迎大家关注。