一種簡易的總線傳輸協議

付長英，劉林海，沈貴元，常迎輝

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

當前，SoC設計已經成為數字集成電路（Integrated Circuit，IC）設計的主流。一款SoC設計至少包含一顆微處理器核心，同時也包含不同類型、數量的外設接口模塊，以及用戶定制的邏輯電路。隨著SoC的規模不斷擴大，集成的IP模塊不斷增多，復雜度不斷加大，使得各個模塊之間通信的問題越來越突出。在片上系統領域中，主機與從機之間的通信需要考慮的因素很多，例如總線位寬、速率、實現難易程度等。因此，設計一種簡單易用的高速率傳輸總線是SoC設計初期著重考慮的。

1 三總線傳輸協議介紹

該總線傳輸協議是為了實現主機與從機之間的高速寄存器讀寫操作，由3根信號線組成，分別是片選使能線、時鐘傳輸線、雙向數據傳輸線。片選使能線與雙向數據傳輸線復位之后默認的狀態為高電平，時鐘傳輸線復位之后默認的狀態為低電平。

1.1 總線傳輸數據的步驟

該傳輸總線傳輸時，由主機首先拉低片選使能線;從機檢測到片選使能線為低之后，內部產生啟動信號。主機拉低片選使能線之后，產生總線時鐘，并通過時鐘傳輸線將時鐘傳輸給從機;總線時鐘可以為主機內部高頻時鐘的分頻時鐘，分頻比可為任意值。主機通過數據傳輸線發送數據，數據可以為多個字節;首先發送當前字節的高位，由高位到低位依次發送，雙向數據傳輸線的變化位于時鐘的下降沿。從機在總線時鐘的上升沿開始對數據進行采樣，并按照收取到的數據進行讀寫操作。主機傳輸數據完畢之后，停止總線時鐘才產生，拉高片選使能線，結束該次傳輸。

當主機發送數據與產生時鐘時，主機每次發起的數據傳輸，總是以固定數值的傳輸時鐘周期為一組，當從機接收到的時鐘周期不足一組時，舍棄最后傳輸的數據，數據傳輸完畢時，最少包含兩組固定數值的傳輸時鐘周期。

如圖1是三總線傳輸協議的概略圖，片選使能線為100，時鐘傳輸線為200，雙向數據傳輸線為300，傳輸首字節為310，第2個字節為320，第3個字節為330。首字節中起始位為讀寫使能311，后續數據位為起始地址312。

圖1 三總線傳輸協議概略圖

主機產生的分頻時鐘，分頻比包括1分頻，即傳輸時鐘與主機內部時鐘同頻，最高可以達到電路接口頻率的最高值。

1.2 三總線傳輸協議的優點

該總線傳輸協議與其他總線相比，具有如下優點:①總線位寬只有3位，通過雙向數據傳輸線滿足讀寫的不同方向要求;②總線傳輸時鐘可以與主機內部時鐘同頻，傳輸速度較高;③根據總線傳輸協議中的要求，可以只發送一次起始地址，之后的讀寫操作均在此起始地址基礎上累加;④該總線傳輸協議比較簡單，易于理解，可操作性強，可以根據具體寄存器位寬進行字節位寬的調整。

2 三總線傳輸協議的讀寫操作

2.1 主機寫從機操作

主機通過數據傳輸線發送數據，當主機需要對從機進行寫操作時，首先需要發送的首字節為“寫使能1”加“從機起始地址”，第2個字節為需要寫入“從機起始地址”的數據，第3個字節為需要寫入“從機起始地址+1”的數據，以此類推，第N個字節為需要寫入“從機起始地址+N－2”的數據。其中，N為字節的個數。

圖2是三總線傳輸協議主機寫從機的流程圖。圖中片選使能線為100，雙向數據傳輸線為300.首字節為310，第2個傳輸字節320為寫入起始地址的數據，第3個傳輸字節330為寫入起始地址加一的數據，第3個傳輸字節340為寫入起始地址加二的數據，第N個傳輸字節350為寫入起始地址+（N－2）數據。首字節高位為寫使能311，首字節低位為起始地址312。

圖2 主機寫從機流程圖

2.2 主機讀從機操作

當主機需要對從機進行讀操作時，首先需要發送的首字節為“讀使能0”加“從機起始地址”，之后主機將雙向數據傳輸線交予從機進行控制，主機只需要產生傳輸時鐘，從機由該傳輸時鐘進行數據的發出;當主機發出讀取的命令之后，由于從機接收到命令之后需要解析出指令時間，需要延時一個字節時間，在第3個字節時間將“從機起始地址”的數據傳輸給主機，第4個字節時間將“從機起始地址+1”的數據傳輸給主機，以此類推，第N個字節時，主機由雙向數據傳輸線讀取到的為“從機起始地址+N－3”的數據;其中，一個字節時間為固定數值的傳輸時鐘。

圖3是本設計的三總線傳輸協議主機讀從機寄存器狀態流程圖。圖中片選使能線為100，雙向數據傳輸線為300。首字節為310，第2個傳輸字節320為空閑周期，第3個傳輸字節330為起始讀地址的寄存器狀態值，第4個傳輸字節340為起始讀地址加1的寄存器狀態值，第N個傳輸字節350為起始讀地址+（N－3）的寄存器狀態值。首字節高位為讀使能311，首字節低七位為起始讀地址312。第2個傳輸字節320為用于主機、從機之間的雙向數據傳輸線的傳輸方向轉變。

圖3 主機讀從機流程圖

2.3 從機解析主機寫操作

圖4是設計的三總線傳輸從機解析主機寫操作的原理圖。空閑狀態為A，主機將片選拉低為A1，從機進行數據采樣為B，主從傳輸的首字節為C，首字節高位判斷器為C1，打開寫使能操作為D，從機進行時鐘上升沿采樣操作為E，片選為高判斷器為E1，字節收取完成判斷器為E2，寫入當前加一地址操作為E3。

圖4 從機解析主機寫操作原理圖

2.4 從機解析主機讀操作

圖5是設計的三總線傳輸協議從機解析主機讀操作的原理圖。空閑狀態為A，片選拉低為A1，從機進行數據采樣為B，主從傳輸的首字節為C，首字節高位判斷其為C1，打開讀使能操作為G，等待一個字節時間為H，片選為高判斷器為H1，發送當前加一地址的寄存器狀態操作為I。

圖5 從機解析主機讀操作原理圖

3 總線模塊設計及RTL實現

本文涉及的總線是通信處理芯片的MCU接口，主要功能是接收MCU的控制和發送芯片的告警，MCU的總線作為主設備，通信處理芯片的總線接口作為從設備。根據功能需求，設計簡化了總線的完整協議，僅實現了從模式。采用VHDL語言實現，用Modelsim對總線的讀寫操作進行了仿真驗證。

總線接口信號定義如圖6所示。rst_125信號是外部提供的硬件復位信號，低電平復位有效;CSN為總線訪問使能信號，低電平有效;SCLK為總線訪問輸入串行時鐘;MOSI為總線訪問輸入串行數據;MISO為總線訪問輸出串行數據;wr_addr[7:0]信號是通過總線接口操作內部寄存器的地址信息，wr_data[7:0]信號為外部MCU通過總線訪問寄存器讀出的數據，隨地址wr_addr[7:0]的變化而變化;rd_data[7:0]信號為外部MCU通過總線接口寫入寄存器的數據，wd_reg為寫使能，wd_reg信號為高時，在SCLK的上升沿把rd_data[7:0]數據寫入到wr_addr[7:0]的地址中;rd_reg為讀使能信號，wd_reg為寫使能信號。

圖6 總線頂層模塊接口定義

在CSN為低時，判斷時鐘的上升沿，8個上升沿對輸入的數據進行采樣;第一個沿采到的數據指示的是讀（1）/寫（0），之后的7個數組合成為當前地址;如果是寫，就寫入當前地址;繼續接收就寫入下一地址;如果是讀，就讀出當前地址數據，繼續就可以讀出后一地址數據;通過總線傳輸的數據，從高位先發，存入接收寄存器r_shift[7:0];發送的時候，也是先發高位，通過發送寄存器t_shift[7:0]發送。

用VHDL語言編寫testbench對總線模塊進行測試，部分測試代碼如下:

procedure spi_tr（

shift:in std_logic_vector（7downto 0）;

signal rdata:out std_logic_vector（7downto 0）;

signal SCLK:out std_logic;

signal MOSI:out std_logic;

signal MISO:in std_logic

）is

begin

rdata＜=x"00";

SCLK＜=‘1’;

MOSI＜=‘1’;

wait for30 ns;

SCLK＜=‘0’;—第1個數據

wait for30 ns;

MOSI＜=shift（7）;

rdata（7）＜=MISO;

……

SCLK＜=‘0’;—第8個數據

rdata（0）＜=MISO;

wait for30 ns;

SCLK＜=‘1’;

wait for30 ns;

MOSI＜=‘1’;

wait for30 ns;

end spi_tr;

仿真測試部分結果如圖7所示。

圖7 總線讀寫操作仿真驗證結果

4 結束語

設計的傳輸協議只有3根總線，采用VHDL語言實現硬件電路，并通過Modelsim驗證了協議的正確性。讀寫過程簡單明了，易于理解，針對不同位寬的寄存器，可以根據位寬和地址深度的要求定制從機對首字節的解析模塊，以滿足各自設計的特定需求，非常適合芯片之間的通信。

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