一種實用的多通道SPI接口設計＊

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

在通信產品設計中，一般都會采用可拔插的多板卡設計，板卡分為兩類：一類為主控板，主要實現數據交換、網管代理、配置保存和下載、狀態查詢和上報等功能，設計較為復雜；另一類為接口板，主要實現數據轉換和接口適配功能，設計一般較為簡單。設備中主控板一般只有一塊（如果需要冗余設計則為兩塊），而接口板有多塊，所有板卡均插在一塊背板上。為了實現統一管理，主控板和接口板間需要增加管理通道。

對于管理通道，也有兩種實現方式：一種是主控板和接口板均配置CPU 芯片，板卡間采用HDLC 接口或以太網接口實現管理通道，這樣就需要每塊板卡都編寫軟件代碼，對于接口眾多而接口板實現簡單的設備而言，設計工作量大、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據／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行控制，這樣可以簡化軟件的代碼編寫，但由于并行數據／地址總線信號數量眾多，設備背板設計將會很復雜，同時由于一組總線連接到多塊接口板卡，其可靠性會降低。

本文綜合這兩種實現方式的優點，在此基礎上提出了一種新的實現方式，即主控板通過FPGA 芯片擴展出多個通道的SPI主模式接口，而接口板通過EPLD 芯片實現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接口一一對應連接，主控板即可通過SPI接口對接口板進行管理操作。

2 SPI接口簡介

SPI（Serial Peripheral Interface—串行外設接口）總線是一種同步串行外設接口，它可以使MCU 與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。該接口一般使用四條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入／從機輸出數據線MISO、主機輸出／從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS。SPI接口傳輸的數據一般為八位，在主器件產生的從器件使能信號和移位脈沖下，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 個成員組成，可提供的密度從3，840 個邏輯單元到147，443 個邏輯單元不等。Spartan-6系列采用成熟的45nm 低功耗銅制程技術制造，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 具備堅實的可編程芯片基礎，且成本低，非常適用于可提供集成軟硬件組件的目標設計平臺。

4 多通道SPI接口方案設計

圖1 方案設計框圖

本方案中采用FPGA 芯片實現16路SPI主模式接口，同時采用EPLD 芯片實現單路SPI從模式接口，具體框圖如圖1所示。

由于需要擴展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，該型號具備9152個邏輯單元和102 個可用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。

4.1 SPI接口時序

本方案由于SPI接口的主從模式均由邏輯實現，為統一設計，規范SPI接口的時序如下：

寫操作時，SPI主模式接口在片選有效后，從時鐘上升沿先輸出地址，再輸出數據，高位在前，低位在后；讀操作時，SPI主模式接口同樣先輸出地址，然后由SPI從模式接口在時鐘上升沿輸出數據，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，bit為0時表示本次操作是讀操作，bit為1時表示是寫操作。

圖2 SPI接口的寫時序

圖3 SPI接口的讀時序

4.2 SPI主模式接口設計

根據設計框圖，為了實現多通道SPI接口，需要在FPGA 芯片內部擴展多組寄存器，CPU 通過并行數據／地址總線對寄存器進行訪問，以控制每個通道SPI接口的讀寫操作。每組寄存器對應一個SPI接口，寄存器包括控制寄存器、地址寄存器，寫數據寄存器和讀數據寄存器。其中控制寄存器的bit0用于啟動讀寫操作，置1表示啟動讀寫操作，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束，為0則表示操作已完成。

SPI主模式接口的主要邏輯實現代碼如下：

4.3 SPI從模式接口設計

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 接口的時序要求也可能不同。為了靈活適配，在接口板的EPLD 中擴展了四個寄存器：并行接口控制寄存器、并行接口地址寄存器、并行接口寫數據寄存器和并行接口讀數據寄存器。主控板可以通過SPI接口對這些寄存器進行訪問，以控制EPLD 的并行數據／地址總線的讀寫時序。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表示當前操作類型，0表示讀操作，1表示寫操作；bit7表示當前操作是否結束，1表示操作尚未結束，0表示操作已結束。

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從模式設計流程

5 結語

本文對不同設備內的板卡管理通道進行了分析，提出了采用SPI接口作為板卡間管理通道的設計方案。該方案采用FPGA＋EPLD芯片實現SPI接口，可以根據項目需求靈活增加接口數量，同時也可以很方便地調整CPU 接口的訪問時序。在實際的設備應用中，SPI接口作為管理通道運行穩定良好，有效地提高了設備的開發效率。

另外，本文中應用的SPI接口是8位數據和8位地址，如果實際使用有新的需求，完全可以將SPI接口的位寬擴展到16位或更多，而不會對整體設計架構有任何影響。

［1］田耘，徐文波.Xilinx FPGA 開發實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［2］EDA 先鋒工作室.Altera FPGA／CPLD設計（基礎篇）［M］.第2版.北京：人民郵電出版社，2011.

［3］夏宇聞.Verilog數字系統設計教程［M］.第2版.北京：北京航空航天大學出版社，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 設計與實現［J］.計算機與數字工程，2011（2）.