串行外围接口SPI功能模块的设计

　　2．3 工作模式

　　SPI有两种工作模式，可以通过外部引脚跳线的方式来切换。

　　主模式：发送和接收可以同时工作在主模式下。

　　主模式的显著特征是不论是发送还是接收始终有SCLK信号，发送操作是由向发送FIFO中写数据而触发的。在主模式下，时钟信号的1次作用对应一位数据的发送(MOSI)和另一位数据的接收(MISO)。

　　如图3所示，在主片中数据从移位寄存器中自右向左发出送到从片(MOSI)，同时从片中的数据自左向右发到主片(MISO)，经过8位时钟周期完成1个字节的发送。输入字节保留在移位寄存器中，此时SPI INT FLAG位自动置位(如果有中断设置，则产生中断)，移位寄存器的数据将被锁存到接收FIFO中，此后对接收FIFO的读操作将把数据读出。

　　从模式：发送和接收同时工作在从模式下。从模式的显著特征是：不论是发送还是接收始终必须在SCLK信号作用下进行，并且SSN信号必须有效。

　　当SSN信号无效时，数据的发送无法进行并且输入的数据视为无效。数据的发送和接收过程见图3所示，与主模式下基本相似，只是移位寄存器的数据移出和输入方向与之相反。

图3 主片和从片发送和接收操作

　　3 SPI模块功能设计

　　3．1 模块划分

　　根据功能定义及SPI的工作原理，将整个SPI IP划分为8个子模块：APB接口模块、时钟分频模块、发送数据FIFO模块、接收数据FIFO模块、寄存器控制模块、命令解析模块、中断处理模块及发送接收数据模块。整个SPI模块划分结构图如图4所示。

图4 数据传输结构

　　在这些模块中，Tx—FIFO和Rx—FIFO用来做接收发送数据的FIFO。DMA／INT是中断控制模块，通知MCU或者DMA发送或者接收数据的FIFO。CMD ANALYSIS模块用来解析在从模式下Host发过来的命令。CTRl/Register用来放置寄存器，供MCU读写配置SPI的各种参数。Shifter用来做串并转换，收发送数据。Clock模块用来产生主模式下时钟。

　　3．2 设计方案

　　通过深入分析SPI的四种传输协议可以发现，根据一种协议，只要对串行同步时钟进行转换，就能得到其余的三种协议。为了简化设计，规定如果要连续传输多个数据，在两个数据传输之问插入一个串行时钟的空闲等待，这样状态机只需两种状态(空闲和工作)就能正确工作。相比其它设计，在基本不降低性能的前提下，思路比较精炼、清晰，能够大大缩短写代码的时间，降低出错率。

　　此SPI模块有两种工作方式：查询方式和DMA方式。查询方式通过处理器核监视SPI的状态寄存器来获取其所处的状态，从而决定下一步动作。

　　DMA方式由DMA模块控制数据在内存和SPI间的交换，而不需要处理器核的参与，有效提高了总线利用率。

　　外部MCU可以通过和内部MCU通讯的方式，把从模式的SPI配置成可以解析命令的模式，这样外部主模式的SPI可以在SSN低电平的时候连续传输多位数据，在下降沿的第一个数据被认为是命令。从模式的SPI可以解析这些命令然后做相应的操作。这些操作主要包括，清除接收FIFO或者发送FIFO中的数据，选择MCU或者DMA来作为数据交互的对象等，可以大大节省和MCU交互所需要的带宽。

　　作为主要组成部分的寄存器控制模块和SPI核心模块采用同步电路设计，它们之间的通讯采用异步电路设计。这些主要是考虑到SPI的带宽通过MCU的控制是可调的。SPI核心部分的时钟频率可调，可实现多种带宽，增加了本设计SPI的灵活性。