完整版SPI接口的仿真及验证毕业设计.docx

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完整版SPI接口的仿真及验证毕业设计

编号

毕业设计（论文）

题目：

SPI接口的仿真及验证

物联网工程学院电子信息工程专业

学生姓名胥翔

指导教师虞致国副教授

二〇一三年六月

摘要

在专用集成电路（ASIC）设计技术以及超大规模集成电路（VLSI）工艺技术的飞速发展的今天，FPGA编程的硬件电路被越来越多的应用于实现诸如SPI接口等方面。

相对于软件实现，硬件具有更多的优点。

SPI接口技术是一种高速高效率的串行接口技术,主要用于扩展外设及其数据交换,已经作为一种配置标准。

作为一个标准的接口，SPI具有简单方便和节省系统资源的优点，使得大多数芯片都支持该接口。

SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。

SPI接口的全称是"SerialPeripheralInterface"，串行外围接口，是由Motorola公司首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。

现在大部分厂家都是参照Motorola的定义来设计的。

因为没有确切的版本协议，所以不同厂家的SPI接口在技术上存在一定程度上的差别，甚至会引起歧义。

本文是利用Verilog硬件描述语言编写出SPI总线的主机模块,经过XilinxISE仿真得出相应的仿真波形。

根据仿真波形分析,所设计的SPI主机模块的功能是正确的，并且在XilinxISE中对该模块进行综合与实现。

更多还原

关键词：

FPGA；SPI接口；Verilog；XilinxISE

Abstract

Inapplication-specificintegratedcircuit（ASIC）designtechnologyandverylargescaleintegratedcircuit（VLSI）technologyrapiddevelopmenttoday,theFPGAprogrammingoftheimplementationsuchasSPIinterface.Relativetothesoftware,EEPROM,FLASH,real-timeclock,ADconverter,andbetweenthedigitalsignalprocessoranddigitalsignaldecoder.

SPIInterfaceisthefullnameof"SerialPeripheralInterface",SerialPeripheralInterface,MotorolaisfirstdefinedonitsMC68HCXXseriesprocessors,mostmanufacturersarenowbasedonthedefinitionofMotorolatodesign.ThispaperistousetheVeriloglanguagetowritetheSPIbusoftheModelSimsimulationwaveform.Accordingtothesimulationwaveformanalysis,thedesignofSPIisright.FinallyinXilinxISEincomprehensiveandtheimplementationofthemodule,andcompletedverifyontheFPGA.

Keywords：

FPGA；SPIinterface；Verilog；XilinxISE

摘要I

AbstractII

目录i

第1章绪论1

1.1研究背景1

1.1.1系统芯片的发展1

1.1.2IP核1

1.1.3数据传送2

1.2SPI研究的目的及意义3

1.3本文的主要工作及构架3

1.3.1研究的基本内容3

1.3.2技术方案3

第2章SPI原理分析5

2.1SPI通信总线5

2.2SPI简介5

2.3SPI的工作模式6

2.3.1主模式6

2.3.2从模式7

2.4SPI的传输模式7

2.5SPI协议8

第3章方案论证11

3.1用FPGA来设计SPI11

3.2用51系列单片机实现SPI11

第4章SPI的电路设计13

4.1管脚说明13

4.2SPI系统中所用的寄存器13

4.3SPI速率控制14

4.4SPI控制状态机15

4.5SPI程序设计流程图16

第5章仿真及验证19

5.1仿真分析19

第6章结论与展望21

6.1结论21

6.2不足之处及未来展望21

参考文献22

致谢23

附录A24

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1系统芯片的发展

系统芯片（SoC：

System-on-a-chip）指的是在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术。

所谓完整的系统一般包括中央处理器、存储器、以及外围电路等。

SoC是与其它技术并行发展的，如绝缘硅（SOI），它可以提供增强的时钟频率，从而降低微芯片的功耗。

随着电子技术开发应用对集成电路IC需求量的扩大和半导体工艺水平的不断进步，超大规模集成电路VLSI技术迅猛发展。

当前的半导体工艺水平己经达到了亚微米水平并正在向50nm以下发展，器件特征尺寸越来越小，芯片集成规模越来越大，数百万门级电路可以集成在一个芯片上，芯片尺寸已从逻辑限制变为焊盘限制，我们必须找到与常规集成电路设计思想不同的设计方式，它就是新世纪IC设计的主流技术。

SOC是微电子设计领域的一场革命，从整个系统的角度出发，把智能核、信息处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个或少数几个芯片上完成整个系统的功能，既我们可以把越来越多的电路设计在同一个芯片中，这里面可能包含有中央处理器（CPU），嵌入式内存（Embeddedmemory）、数字信号处理器（DSP）、数字功能模块（Digitalfunction）、模拟功能模块（Analogfunction）、模拟数字转换器（ADC）以及各种外围配置（USB,MPEG）等等，这是新发展的SOC技术。

SOC技术的研究、应用和发展是微电子技术发展的一个新的里程碑。

SOC能提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板.空间和更低的成本，带来了电子系统设计与应用的革命性新变革，可广泛应用于移动电话、硬盘驱动器、个人数字助理和手持电子产品、消费性电子产品等。

SOC是21世纪电子系统开发应用的新平台[1]。

1.1.2IP核

IP（IntelligenceProperty）是在FPGA设计中不可缺少的组成部分，也是自底向上设计方法学的理论基础。

随着数字系统设计越来越复杂，从头开始设计系统中的每一个模块是一件十分困难的事，而且会打打延长设计周期，甚至增加系统的不稳定因素。

IP的出现使得设计过程变得十分简单，用户甚至只需要将不同的模块连接起来，就可以实现一个完整的系统。

这样对减少产品的上市时间、赚取早起的利润十分有利。

IP核是指用于产品应用专用的集成电路（ASIC）或可编程逻辑器件（FPGA）的逻辑块或数据块。

将一些数字电路中常用但比较复杂的功能模块，如FIR滤波器，SDRAM控制器，PCI接口等设计成可修改参数的模块，让其他用户可以直接调用，这样就大大减轻了工程师的负担，避免重复劳动。

随着CPDLFPGA的规模越来越大，设计越来越负杂，使用IP核是一个发展趋势。

随着HDL的发展和标准化，世界上出现了一批利用HDL进行各种集成电路功能模块专业设计的公司。

其具体任务是按常用或专用功能，用HDL来描述集成电路的功能和结构，并经过不同级别的验证形成不同级别的IP核模块，供芯片设计人员来装配或集成选用。

（1）软IP核通常使用HDL文本形式提交给用户，它已经过行为级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。

据此，用户可以综合出正确的门电路级网表，并可以进行后续结构设计，具有强大的灵活性，可以很容易的借助EDA综合工具将其与其他外部逻辑电路结合成一体，更具不同的半导体工艺，将其设计为具有不同性能的器件。

可以商品化的软IP内核的电路结构总门数一般都在5000门以上。

软IP核又被称为虚拟器件。

（2）硬IP核是基于某种半导体工艺的物理设计，，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有保证的性能。

其共给用户的形式是电路物理结构掩模板图全套工艺文件，是可以拿来就用的圈套技术。

（3）固IP核的设计深度介于软IP内核和硬IP内核之间，除了完成硬IP内核所具有的设计外，还完成门电路级综合和时序仿真设计环节，一般以门电路级网表形式提交用户使用。

常用的IP内核模块有各种不同的CPU（3264位结构CISCRISC结构的CPU或816位微控制器单片机，如8051等）、3264位DSP（如320C30）、DRAM、SRAM、EEPROM、FLASH内存、AD、DA、MPEGJPEG、USB、PCI、标准接口、网络单元、编译器、编码解码器和模拟器件模块等。

丰富的IP内核模块库为快速地设计专用集成电路和单片系统以尽快占领市场提供了保证[2]。

1.1.3数据传送

数据传送有串行传送和并行传送两种方法。

并行传输是构成字符的二进制代码在并行信道上同时传输的方式。

例如，8单位代码字符要用8条信道并行同时传输，一次传一个字符，收、发双方不存在同步问题，速度快，但信道多、投资大，数据传输中很少采用[3]。

串行传输是构成二进制代码在一条信道上以位（码元）为单位，按时间顺序逐位传输的方式。

按位发送，逐位接收，同时还要确认字符，所以要采取同步措施。

速度虽慢，但只需一条传输信道，投资小，易于实现。

为此，串行传输已经成为当今外设接口的主流传输方式，为此，摩托罗拉公司开发出了同步外设接口（SPI），并随着时间不断改进，由于其占用线的资源少，且稳定可靠，该总线大量用在与EEPROM、ADC、FLASH和显示驱动器之类的慢速外设器件通信，现在很多单片机等都有SPI模块来连接外围设备，从而使主机与外设传输数据更加方便[5]。

1.2SPI研究的目的及意义

SPI总线,是一个同步串行接口的数据总线,它具有全双工、信号线少、协议简单、传输速度快等优点。

由于串行总线的信号线比并行总线更少、简单,越来越多的系统放弃使用并行总线而采用串行总线。

在众多串行总线中,SPI总线相比于I2C总线、CAN总线、USB等其他常用总线相比有很大优势,如SPI线的数据传输速度可达若干Mbps,比I2C总线快很多。

SPI总线最典型的应用就是主机与外围设备（如EEPROM、FlashRAM、AD转换器、LED显示器、实时时钟等）之间的通信[4]。

SPI接口的扩展有硬件和软件两种方法,软件模拟SPI接口方法虽然简单方便,但是速度受到限制，在高速且日益复杂的数字系统中，这种方法显然无法满足系统要求，所以采用硬件的方法实现最为切实可行。

这使得与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。

FPGA（现场可编程门阵列）是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,具有设计周期短、可重复编程、灵活性强等特点。

用FPGA设计的SPI总线具有可扩展性强、便于修改等优点。

只要对设计做简单的改动,即可对SPI总线的数据位数、工作模式等进行扩展,充分发挥了FPGA的优势。

并FPGA是可编程并可重复擦写的，从而具有更大的灵活性，在