一种基于FPGA的可配置SPI Master接口设计实现

　　随着现场可编程门阵列（FPGA）芯片在商业、军事、航空航天等领域的广泛应用，其可靠性和可测试性显得尤为重要。对设计人员来说，FPGA的使用相当灵活。然而，正是这种应用的不确定性和重复可编程性，增加了芯片的测试难度。其核心问题是建立什么样的测试模型才能使故障激活。根据需求，FPGA的测试大体可分为面向制造的测试过程（MTP）和面向应用的测试过程（ATP）两类。MTP主要是从制造商的角度来测试，ATP是在应用级上的测试，也就是把FPCA配置为特定的功能进行测试，具有很强的针对性。本文介绍ATP测试中SPI Master模型的建立。在测试FPGA设计的集成电路时，对设计电路的性能进行实时测试是必不可少的环节。这就需要设计一种接口电路，将测试数据送人设计电路。

　　1 SPI总线协议介绍

　　SPI（Seri。n Perpheral Interface）是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用4根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设各和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设各共有，分别是MIS0（数据输人），M0SI（数据输出），SCK（时钟），NSS（片选），如图1所示。

图1 SPI总线时

　　（1）M0SI：主设备数据输出，从设备数据输人。

　　（2）MISO：主设各数据输人，从设备数据输出。

　　（3）SCK：时钟信号，由主设各产生。

　　（4）NSS：从设各使能信号，由主设各控制。

　　使能信号低电平有效，当使能信号为低电平时，输出数据（M0SI）在串行时钟（SCK）下降沿变化，输人数据（MIS0）在（SCK）上升沿变化。

　　2 SPI Master原理

　　本文介绍的基于FPGA的、可配置的SPI Master接口设计，能满足测试的各种正常、异常以及强度测试要求。此SPI接口模块可设置为单次发送、循环发送（发送间隔可设）；发送数据长度可变；串行时钟线（SCK）与输出数据线（MOSI）时序关系可变；串行时钟线（SCK）与使能信号（NSS）时序关系可变。

　　一般情况下，为了SPI数据发送的灵活性，SPI发送次数及发送间隔是由软件实现的，当需要循环发送且发送间隔达到微秒甚至纳秒数量级时，软件很难实现。本文将SPI发送次数以及发送间隔集成到SΠ Master模块中，使SPI发送间隔可变且最小为一个SCK周期。按照SPI总线协议设计的SPI Master输出数据（M0SI）在串行时钟（SCK）下降沿变化，不能进行异常时序测试，而异常时序在FPGAH的接口测试中又最为重要，故本文利用触发器特性设计电路，使SPI发送数据时序可变，精度为1个系统时钟周期。

　　3 SP丨Master模块结构图

　　SPI Master模块由Bram接口、配置寄存器、控制器三部分组成，如图2所示。此模块系统时钟为100 MHz。

图2 SPI Master模块结构图

　　BRAY接口：控制配置参数以及SPI数据的读写配置参数及SPI数据在BRAM中存储结构如表1所示。

表1 BRAM存储结构表

　　控制器：解析配置寄存器，产生发送时序，控制BRAM接口进行数据读写。

　　对配置寄存器说明如下。

　　（1）循环发送标识寄存器：1 bit，高电平标识循环发送，低电平标识单次发送。

　　｛2）循环发送次数寄存器：15 bit，若循环发送标识为高电平时，此寄存器值为要发送的数据长度，单位：B；发送模块中包含一发送次数计数器，NSS从高电平变为低电平，发送次数计数器加1。

　　（3）循环发送间隔寄存器：16 bit，若循环发送标识为高电平时，此寄存器值为每两次发送间隔，单位：10 ns。（最小间隔为1个SCK周期，若小于1个SCK周期，则从设各不能检测到NSS信号变化），发送模块中包含1个发送间隔计数器，从一次SPI发送结束开始计数，直到与循环发送间隔寄存器中值相等，启动下次发送。

　　（4）SCK频率寄存器：16 bit，此寄存器值表示串行时钟tCK周期，单位为10 ns（系统时钟为100 MHz，精度为⒛ns）；时序模块中包含一分频模块，SCK周期=（SCK频率寄存器）×10 ns。

　　（5）M0SI时序寄存器：8 bit，此寄存器值表示M0SI变化与SCK下降沿间隔时间，单位：10 ns（系统时钟为100 MHz，因此最小间隔为lO ns）。

　　（6）数据长度寄存器：16 bit，此寄存器值表示要发送数据的长度，单位：B。

　　（7）NSS时序寄存器：8 bit，此寄存器值表示NSS变化与SCK下降沿间隔时间，单位：lO ns（系统时钟为100 MHz，因此最小间隔为lO ns）。

　　4 SPI Master模块功能介绍

　　（1）SPI循环发送次数可变，范围：1～32 767；（2）SPI数据发送长度可变，范围：1～65 535，单位：B；（3）SPI循环发送间隔可变，范围：（1个SCK周期）～（65 536×10 ns），实现了连续发送，即一次SPI发送结束后下一SCK时钟立即启动下次SPI发送；（4）MOSI与SCK时序关系可变，NSS与SCK时序关系可变，SPI总线为下降沿发送，上升沿接收，故MOSI、NSS在SCK下降沿后半个周期可调即可。

　　SPI功能流程如图3所示，FPGA上电复位后不断检测SPI start信号，当SPI stalt信号有效时（高电平）启动SPI发送，读取BRAM中的配置参数，进行泽码，依据译码后数据长度值读取BRAM中数据，按照SPI协议发送数据；完成一次SPI发送后判断是否为循环发送，若为循环发送则启动下一次SPI发送，直到发送次数等于循环发送次数寄存器值，萁中发送间隔由循环发送间隔寄存器值决定。

图3功能流程图

　　4．1单次发送（正常时序）

　　SPI Master控制器检测到SPl＿start信号有效，即控制Bram接口读取配置参数，经译码后若循环发送标识寄存器为低电平，则配合发送长度寄存器读取BRAM中数据，并进行发送。

　　4．2单次发送（异常时序）

　　M051异常时序：正常情况下M0SI在SCK下降沿变化，此设计采用一带抽头的序列寄存器产生异常时序，如图4。

图4异常时序产生模块结构图

　　每增加一个触发器，延时增加一个系统时钟，多路开关依据M051日寸序寄存器中值选择相应触发器输出，产生异常时序，举例说明如图5。

　　图5中sys_clk为系统时钟频率100 MHz，NSS为使能信号；MOSI为串行输出信号；当SCK频率寄存器为10时，SPI串行时钟SCK周期＝（SCK频率寄存器）×10 ns=100 ns，即SCK频率为10 MHz；当M0SI时序寄存器值为4时，M0SI在SCK下降沿后4个sys elk开始变化。

图5 SPI异常时序图

　　4．3循环发送（时序正常）

　　每完成一次SPI发送，发送次数计数器加1，当发送次数计数器中的值与循环发送次数寄存器中值相等时，完成循环发送。发送次数由循环发送次数寄存器值决定，循环发送间隔由发送间隔计数器决定。

　　4．4循环发送（时序异常）

　　类似循环发送（正常时序），异常时序产生类似单次发送（异常时序）。

　　实现的目标器件是Xilinx的Vitex2 pro开发板。本文已应用于中国科学院光电研究院测试平台中，实现了SPI接口以及与其功能相关的的测试。与同类SPI Master相比，发送间隔可变、精度高，最小间隔仅为1个SCK时钟周期；发送时序可变，精度高，为1个系统时钟周期；基本满足正常、异常以及强度等测试要求。