一種實(shí)用的多通道SPI接口設(shè)計(jì)＊

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

在通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，一般都會(huì)采用可拔插的多板卡設(shè)計(jì)，板卡分為兩類：一類為主控板，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)管代理、配置保存和下載、狀態(tài)查詢和上報(bào)等功能，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜；另一類為接口板，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和接口適配功能，設(shè)計(jì)一般較為簡(jiǎn)單。設(shè)備中主控板一般只有一塊（如果需要冗余設(shè)計(jì)則為兩塊），而接口板有多塊，所有板卡均插在一塊背板上。為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，主控板和接口板間需要增加管理通道。

對(duì)于管理通道，也有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是主控板和接口板均配置CPU 芯片，板卡間采用HDLC 接口或以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)管理通道，這樣就需要每塊板卡都編寫軟件代碼，對(duì)于接口眾多而接口板實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的設(shè)備而言，設(shè)計(jì)工作量大、成本高；另一種是僅在主控板上配置CPU 芯片，通過主控板提供并行數(shù)據(jù)／地址總線連接到各接口板上，接口板上的芯片可以直接由主控板通過總線進(jìn)行控制，這樣可以簡(jiǎn)化軟件的代碼編寫，但由于并行數(shù)據(jù)／地址總線信號(hào)數(shù)量眾多，設(shè)備背板設(shè)計(jì)將會(huì)很復(fù)雜，同時(shí)由于一組總線連接到多塊接口板卡，其可靠性會(huì)降低。

本文綜合這兩種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的實(shí)現(xiàn)方式，即主控板通過FPGA 芯片擴(kuò)展出多個(gè)通道的SPI主模式接口，而接口板通過EPLD 芯片實(shí)現(xiàn)SPI從模式接口，再通過背板將主控板的SPI接口與接口板的SPI接口一一對(duì)應(yīng)連接，主控板即可通過SPI接口對(duì)接口板進(jìn)行管理操作。

2 SPI接口簡(jiǎn)介

SPI（Serial Peripheral Interface—串行外設(shè)接口）總線是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU 與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。該接口一般使用四條線：串行時(shí)鐘線（SCLK）、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。SPI接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一般為八位，在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號(hào)和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前，低位在后。

3 FPGA 芯片介紹

本方案中采用的FPGA 芯片是Xilinx公司的Spartan-6系列［4］。該系列由13 個(gè)成員組成，可提供的密度從3，840 個(gè)邏輯單元到147，443 個(gè)邏輯單元不等。Spartan-6系列采用成熟的45nm 低功耗銅制程技術(shù)制造，與上一代Spartan 系列相比，該系列功耗僅為其50%，且速度更快、連接功能更豐富全面。Spartan-6FPGA 具備堅(jiān)實(shí)的可編程芯片基礎(chǔ)，且成本低，非常適用于可提供集成軟硬件組件的目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

4 多通道SPI接口方案設(shè)計(jì)

圖1 方案設(shè)計(jì)框圖

本方案中采用FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)16路SPI主模式接口，同時(shí)采用EPLD 芯片實(shí)現(xiàn)單路SPI從模式接口，具體框圖如圖1所示。

由于需要擴(kuò)展16路SPI主模式接口，所采用的邏輯資源較多，所以FPGA 芯片采用了Spartan-6 系列的XC6SLX9型號(hào)，該型號(hào)具備9152個(gè)邏輯單元和102 個(gè)可用IO 口管腳，且功耗很小，EPLD 芯片則采用了Altera公司的MAX II系列的EPM240芯片，也同樣具備成本低和功耗小的特點(diǎn)。

4.1 SPI接口時(shí)序

本方案由于SPI接口的主從模式均由邏輯實(shí)現(xiàn)，為統(tǒng)一設(shè)計(jì)，規(guī)范SPI接口的時(shí)序如下：

寫操作時(shí)，SPI主模式接口在片選有效后，從時(shí)鐘上升沿先輸出地址，再輸出數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后；讀操作時(shí)，SPI主模式接口同樣先輸出地址，然后由SPI從模式接口在時(shí)鐘上升沿輸出數(shù)據(jù)，也是高位在前，低位在后。地址的最高位bit作為讀寫指示信號(hào)，bit為0時(shí)表示本次操作是讀操作，bit為1時(shí)表示是寫操作。

圖2 SPI接口的寫時(shí)序

圖3 SPI接口的讀時(shí)序

4.2 SPI主模式接口設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)框圖，為了實(shí)現(xiàn)多通道SPI接口，需要在FPGA 芯片內(nèi)部擴(kuò)展多組寄存器，CPU 通過并行數(shù)據(jù)／地址總線對(duì)寄存器進(jìn)行訪問，以控制每個(gè)通道SPI接口的讀寫操作。每組寄存器對(duì)應(yīng)一個(gè)SPI接口，寄存器包括控制寄存器、地址寄存器，寫數(shù)據(jù)寄存器和讀數(shù)據(jù)寄存器。其中控制寄存器的bit0用于啟動(dòng)讀寫操作，置1表示啟動(dòng)讀寫操作，清0則表示停止操作；bit7為只讀bit，讀出為1表示本次操作尚未結(jié)束，為0則表示操作已完成。

SPI主模式接口的主要邏輯實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4.3 SPI從模式接口設(shè)計(jì)

由于接口板的接口芯片存在不同類型，而不同類型的接口芯片其CPU 接口的時(shí)序要求也可能不同。為了靈活適配，在接口板的EPLD 中擴(kuò)展了四個(gè)寄存器：并行接口控制寄存器、并行接口地址寄存器、并行接口寫數(shù)據(jù)寄存器和并行接口讀數(shù)據(jù)寄存器。主控板可以通過SPI接口對(duì)這些寄存器進(jìn)行訪問，以控制EPLD 的并行數(shù)據(jù)／地址總線的讀寫時(shí)序。其中并行接口控制寄存器的bit0表示是否使能操作，1表示使能讀寫操作，0表示禁止；bit1表示當(dāng)前操作類型，0表示讀操作，1表示寫操作；bit7表示當(dāng)前操作是否結(jié)束，1表示操作尚未結(jié)束，0表示操作已結(jié)束。

由于SPI從模式接口的邏輯代碼較長，無法一一列舉，這里將流程框圖描述如圖4：

圖4 SPI從模式設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)語

本文對(duì)不同設(shè)備內(nèi)的板卡管理通道進(jìn)行了分析，提出了采用SPI接口作為板卡間管理通道的設(shè)計(jì)方案。該方案采用FPGA＋EPLD芯片實(shí)現(xiàn)SPI接口，可以根據(jù)項(xiàng)目需求靈活增加接口數(shù)量，同時(shí)也可以很方便地調(diào)整CPU 接口的訪問時(shí)序。在實(shí)際的設(shè)備應(yīng)用中，SPI接口作為管理通道運(yùn)行穩(wěn)定良好，有效地提高了設(shè)備的開發(fā)效率。

另外，本文中應(yīng)用的SPI接口是8位數(shù)據(jù)和8位地址，如果實(shí)際使用有新的需求，完全可以將SPI接口的位寬擴(kuò)展到16位或更多，而不會(huì)對(duì)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)有任何影響。

［1］田耘，徐文波.Xilinx FPGA 開發(fā)實(shí)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［2］EDA 先鋒工作室.Altera FPGA／CPLD設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)篇）［M］.第2版.北京：人民郵電出版社，2011.

［3］夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程［M］.第2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］Xilinx，Inc.Spartan-6Family Overview，2011：1-2.http：／／www.xilinx.com.

［5］Xilinx，Inc.Spartan-6 FPGA Data Sheet，2011.http：／／www.xilinx.com.

［6］Xilinx，Inc.Spartan-6 FPGA Clocking Resources User Guide，2011.http：／／www.xilinx.com.

［7］Altera Corporation.MAX II Device Handbook，2009.http：／／www.altera.com.cn.

［8］麻志鵬，沈小林.PCI總線接口的FPGA 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011（2）.