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用于SOC的SPI接口設(shè)計與驗證

作者: 時間:2016-10-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:給出了一個可用于SoC設(shè)計的SPI接口IP核的RTL設(shè)計與功能仿真。采用AMBA 2.0總線標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)SPI接口在外部設(shè)備和內(nèi)部系統(tǒng)之間進(jìn)行通信,在部分,摒棄傳統(tǒng)的需要一個專門的移位傳輸寄存器實現(xiàn)串/并轉(zhuǎn)換的設(shè)計方法,采用復(fù)用寄存器的方法,把移位傳輸寄存器和發(fā)送寄存器結(jié)合在一起,提高了傳輸速度,也節(jié)約了硬件資源。采用SoC驗證平臺進(jìn)行SoC環(huán)境下對IP的驗證,在100 MHz時鐘頻率下的仿真和驗證結(jié)果表明,SPI接口實現(xiàn)了,且滿足時序設(shè)計要求。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/306468.htm

0 引言

SPI(Serial Peripheral Interface)是一種同步串行總線接口,很多器件如E2PROM、FLASH、實時時鐘、A/D轉(zhuǎn)換器等都用到了SPI接口,它也是SoC中的一個常用外圍功能模塊。是由ARM公司開發(fā)的一種高性能、開放性SoC系統(tǒng)總線,它主要包括AHB,ASB和APB三種總線類型。AHB總線主要用于連接高性能、高速度的系統(tǒng)模塊,如CPU,DSP,SRAM等;APB總線主要用于連接低速外圍模塊,如UART,I2C等,接口簡單,效率高,功耗低;ASB總線通過連接系統(tǒng)高速部件來實現(xiàn)高速通信,一般較少用到。

本文設(shè)計一個可作為IP核用于SoC設(shè)計的SPI接口,采用AMBA2.0總線標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)SPI接口在外部設(shè)備和內(nèi)部系統(tǒng)之間進(jìn)行通信,SPI接口作為低速外圍模塊掛載在APB總線上。

1 SPI接口的定義

1.1 接口信號

SPI的接口信號為同步串行時鐘SCLK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入MOSI、從機(jī)選擇

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(低電平有效),由于只用到四根線工作,與其他接口相比具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快的優(yōu)點。SPI有主/從兩種工作模式,SPI總線的串行時鐘SCLK用來同步,在主模式下由主機(jī)產(chǎn)生,從機(jī)選擇信號

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用來決定外部設(shè)備是否被選作SPI的從設(shè)備。主從設(shè)備連接方式如圖1所示。

1.2 內(nèi)部寄存器

SPI的內(nèi)部寄存器如表1所示。

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1.3 傳輸時序

在本設(shè)計中,SPI的傳輸時序由控制寄存器CTRL來決定。CTRL[9]定義為RX_NEGE,置1表示數(shù)據(jù)在時鐘下降沿接收,置0為上升沿接收;CTRL[10]定義為TX_NEGE,置1表示數(shù)據(jù)在下降沿發(fā)送,置0為上升沿發(fā)送;CTRL[11]定義為LSB,置1表示數(shù)據(jù)從最低位開始傳輸,置0從最高位開始傳輸。CTRL[6:0]定義為CHAR_LEN,為數(shù)據(jù)傳輸長度,最長可為128 b。以其中一種傳輸時序為例說明,如圖2所示。

2 SPI接口的RTL設(shè)計

本設(shè)計是針對SoC系統(tǒng)的,目標(biāo)是實現(xiàn)適用于SoC設(shè)計并且符合SPI通信協(xié)議的IP核,實現(xiàn)SoC通過此SPI接口和外設(shè)通信。所以,本設(shè)計分成SPI主機(jī)模塊spi_master的設(shè)計和SPI從機(jī)模塊spi_slave的設(shè)計,采用Verilog HDL進(jìn)行RTL設(shè)計。

2.1 spi_master模塊設(shè)計

spi_master的功能主要包括:

(1)實現(xiàn)主機(jī)通過APB總線初始化spi_master的寄存器;

(2)實現(xiàn)spi_master和spi_slave之間的數(shù)據(jù)交換。

因此,spi_master模塊主要就是實現(xiàn)分頻和串并轉(zhuǎn)換,主要包含時鐘產(chǎn)生子模塊spi_clgen和數(shù)據(jù)傳輸子模塊spi_shift,其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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2.1.1 時鐘產(chǎn)生子模塊設(shè)計

該子模塊主要作用是產(chǎn)生SPI主/從設(shè)備通信所需的同步串行時鐘sclk。在主模式下,sclk由系統(tǒng)提供的時鐘信號pclk分頻產(chǎn)生,產(chǎn)生的串行時鐘的時鐘頻率由式(1)計算得來:

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傳輸開始前,cnt載人DIVIDER值,滿足傳輸條件下cnt減1計數(shù),減為0時,輸出時鐘clk_out翻轉(zhuǎn),并且在clk_out的上升沿和下降沿分別產(chǎn)生pos_edge和neg_edge信號。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸子模塊設(shè)計

該子模塊的主要功能是完成數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計中,該子模塊負(fù)責(zé)把內(nèi)部APB總線并行傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)傳輸給SPI從設(shè)備,并且把外部SPI從設(shè)備串行傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)傳入到APB總線上。

傳統(tǒng)的串/并轉(zhuǎn)換設(shè)計方法需要一個專門的移位傳輸寄存器,本設(shè)計采用了復(fù)用寄存器的方法,把移位傳輸寄存器和發(fā)送寄存器結(jié)合在一起。當(dāng)傳輸停止且總線鎖存使能時,數(shù)據(jù)從APB總線并行傳輸?shù)絪pi_shift移位傳輸寄存器即發(fā)送寄存器TxX,然后在傳輸時鐘使能情況下串行輸出到MOSI;而在主機(jī)接收使能的情況下,由從機(jī)MISO串行輸人數(shù)據(jù)至spi_shift移位傳輸寄存器。傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示,從圖4可以看出,數(shù)據(jù)傳輸位寬最大可達(dá)128 b/s。

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2.1.3 RTL代碼設(shè)計

spi_master模塊代碼設(shè)計劃分如下:

(1)寄存器選擇使能信號的地址譯碼電路;

(2)讀寄存器部分,將并行數(shù)據(jù)輸出到APB總線上;

(3)控制寄存器ctrl、時鐘分頻寄存器divider、從機(jī)選擇寄存器ss初始化部分;

(4)例化時鐘分頻子模塊和數(shù)據(jù)傳輸子模塊。

為了提高代碼的復(fù)用性,特別設(shè)計了一個宏定義模塊,主要定義了傳輸最大位數(shù)SPI_MAX_CHAR,分頻寄存器位數(shù)SPI_DIVIDER_LEN,從機(jī)選擇數(shù)目SPI_SS_NB等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 spi_slave模塊設(shè)計

這部分設(shè)計作為SPI的從設(shè)備與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,與spi_shift模塊時鐘同步。通信開始后,從機(jī)數(shù)據(jù)最高位開始串行輸入到MISO,主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)從最低位串行輸出到MOSI。

3 SPI接口的功能仿真

本設(shè)計采用Verilog HDL編寫Testbench,使用ModelSim軟件進(jìn)行功能仿真,并用Debussy軟件聯(lián)合調(diào)試并觀察波形。為了實現(xiàn)主從設(shè)備通信的仿真,編寫了一個p_master模塊并例化到測試代碼里面來模擬主機(jī)SoC對spi_master的操作,主要包括一個數(shù)據(jù)寫task、一個數(shù)據(jù)讀task、一個數(shù)據(jù)比較task。分別測試了1 b,8 b,16 b,32 b,64 b,128 b的數(shù)據(jù)。仿真全部通過,局部仿真波形如圖5所示。

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以第一次傳輸為例進(jìn)行分析,傳輸時調(diào)用寫任務(wù),分別向寄存器DIVIDER、TX_0、CTRL寫入32’h01、32’h5a、32’h308,設(shè)定spi_sla ve.data為32’ha5967e5a。由波形看出,數(shù)據(jù)在ss[0]有效傳輸,傳輸完成后MIS0=8’b10100101(即32’ha5),MOSI=8’b01011010(即32’h5a),滿足了上升沿發(fā)送下降沿接收及高位先開始的數(shù)據(jù)傳輸時序。在100 MHz的主時鐘頻率下,得到串行時鐘頻率25 MHz,為4分頻,符合式(1)的計算。

4 SPI接口的SoC平臺驗證

驗證用SoC平臺具有良好的可重用性和通用性,可以方便的掛接帶有AHB/APB總線接口的IP核,并通過內(nèi)部寄存器對其進(jìn)行配置和驗證,避免了對不同IP設(shè)計需要不同的Testbench平臺,提高了IP驗證的效率。本設(shè)計用到的SoC驗證平臺如圖6所示,驗證環(huán)境為Linux操作系統(tǒng),仿真工具為VCS。

用于SOC的SPI接口設(shè)計與驗證

在SoC驗證平臺中,SPI接口作為外設(shè)連接在APB總線的Slave4端口上,地址空間為0xA400_0000~0XA4FF_FFFF。用C測試程序向Tx0寫32’h67,spi_slave.data=32’h0,局部仿真波形如圖7所示,MOSI=8’b01100111(即32’h67),MISO=8’b0,結(jié)果表明符合要求。

用于SOC的SPI接口設(shè)計與驗證

5 結(jié)語

本文實現(xiàn)了基于AMBA 2.0總線的、可作為IP核用于SoC設(shè)計的SPI接口的設(shè)計,并且經(jīng)過全面的仿真驗證,可以看出本設(shè)計滿足性能要求。



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