基于Nios II的SPI接口實現

康賓孫亮周玉娟

（1中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊050081）

（2解放軍理工大學江蘇南京210007）

1 引言

SPI作為一個通用的接口在越來越多的芯片上使用，是一種4線的低速接口；AD9517-1ABCPZ就是一款支持SPI接口的時鐘芯片，SPI接口是該芯片的配置接口。Nios II處理器作為一個簡單的CPU，在很多SOPC系統中都被使用；在FPGA設計中搭建Nios II系統，結合SPIMASTER模塊，可以用于配置AD9517-1ABCPZ，讓其輸出所需頻率的時鐘。

2 簡介

2.1 Nios

Nios II系列軟核處理器是Altera公司的第二代FPGA嵌入式處理器，其性能超過200DMIPS。Nios II包括3種產品，分別是：NiosⅡ/f（快速）最高的系統性能、中等FPGA使用量；NiosⅡ/s（標準）高性能和低FPGA使用量；NiosⅡ/e（經濟）低性能，最低的FPGA使用量。這3種產品采用32位處理器的基本結構單元：32位指令大小、32位數據和地址路徑32位通用寄存器和32個外部中斷源；使用同樣的指令集架構（ISA），100%二進制代碼兼容，可以根據系統需求的變化更改CPU，選擇滿足性能和成本的最佳方案[1,2]。

2.2 AD9517-1ABCPZ

AD9517-1ABCPZ是Analog Device公司生產的時鐘發生器，其工作電壓+3.3 V，最大輸入頻率2 400 MHz，最大輸出頻率2 650 MHz，輸出時鐘為TTL電平或LVPEL電平[3]。

2.3 SPI總線

SPI總線系統是一種同步串行外設接口，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。SPI總線系統可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接相連，該總線一般使用4條線：SDO（主設備數據輸出，從設備數據輸入）、SDI（主設備數據輸入，從設備數據輸出）、SCLK（時鐘信號，由主設備產生）和CS（從設備使能信號，由主設備控制）等信號[4]。

3 實現方案

使用Nios II初始化、配置AD9517-1ABCPZ的實現方案可以分為兩部分：硬件設計和軟件設計[4]。硬件設計主要包括基于Nios II的SOPC系統的搭建，SPI-MASTER接口FPGA程序設計。軟件設計主要包括：SPI讀寫函數設計，AD9517-1ABCPZ寄存器配置函數設計。

3.1 硬件設計

硬件設計包括：Nios II的SOPC系統和SPI-MASTER模塊兩部分。Nios II的SOPC系統通過并行的CPU接口與SPI-MASTER模塊相連，SPI-MASTER通過 SPI接口與AD9517相連，其原理框圖如圖1所示：

圖1 硬件系統原理框圖

Nios II的SOPC系統，采用硬件程序和軟件程序都存儲在EPCS芯片的方式，采用該方式FPGA無需外接FLASH、SDRAM芯片，節省了電路板的布局空間以及成本，其主要包括以下幾個部分[5]：①Nios II，系統的CPU；②On-chip Memory RAM，存儲系統啟動后的程序指令以及數據；③On-chip Memory ROM，存儲只讀數據，例如波形數據等；④EPCSSerial Flash Controller，控制EPCS芯片，指定啟動地址；⑤JTAG UART，程序調試輸出接口，相當于系統串行接口輸出，用于觀察調試過程中輸出信息；⑥Avalon-MM Tristate Bridge，其用于連接以上5個部分；⑦Typical Avalon-MM Tristate Slave，系統的CPU接口,控制片選，讀寫信號等。以上7個部分組成一個簡單的帶有CPU接口的SOPC系統，用于承載AD9517-1ABCPZ配置程序。

NIOS系統數據線是32位的，也就是按照32位進行讀寫操作。但圖1所示的原理框圖中DATA寬度是8位的，這樣的話就會出現一個問題：若不對CS信號作調整，在一個讀周期內CS信號會出現4次有效狀態。要完成8位的讀操作，就必須對CS信號進行調整：在Typical Avalon-MM Tristate Slave里加入4位Byteenable[3..0]信號，當Byteenable信號和RD信號同時有效時，CS信號才有效，這樣就可以避免一個讀周期內CS信號出現4次有效狀態的情況。NIOS系統的讀操作不會出現類似情況，所以數據讀過程CS信號不需要調整[6]。AD9517-1ABCPZ的SPI接口默認是MSB方式，SPI-MASTER模塊以MSB的方式設計，其讀寫時序圖如圖2和圖3所示。

圖2 SPI接口寫時序

圖3 SPI接口讀時序

在FPGA內部，SPI-MASTER模塊有以下幾個寄存器，用于存儲命令以及數據：①R/W寄存器，用于指示本次操作是SPI讀操作還是SPI寫操作；②W1WO寄存器，用于指示本次SPI讀寫操作要訪問AD9517-1ABCPZ的寄存器個數；③地址寄存器，用于指示本次SPI讀寫操作要訪問的AD9517-1ABCPZ的寄存器起始地址；④開始SPI讀寫寄存器，用于發起SPI讀寫操作；⑤狀態指示寄存器，用于指示SPI讀寫操作是否為空閑；⑥寫數據寄存器，用于暫存本次SPI寫操作的數據；⑦讀數據寄存器，用于暫存本次SPI讀操作的數據。

R/W寄存器、W1WO寄存器、地址寄存器、開始SPI讀寫寄存器和狀態指示寄存器等的內容用于指定本次SPI操作的屬性，其決定了SPI接口的指令周期；寫數據寄存器和讀數據寄存器用于存儲SPI接口的讀寫數據，其決定SPI接口的數據周期。

SPI的接口時序設計分為SPI讀時序和SPI寫時序2個部分。

SPI寫時序：SPI接口的CS信號只有在“開始SPI讀寫寄存器”被置位后有效，其有效狀態要一直保持到最后一個數據傳輸完成；SCLK信號的頻率一要在AD9517-1ABCPZ的SPI接口SCLK頻率范圍內，其是SDO、SDI信號的同步時鐘，可以由其他高頻率時鐘分頻得到；SDO信號在SCLK時鐘上升延依次輸出“R/W寄存器”、“W1WO寄存器”、“地址寄存器”的內容，完成SPI接口的指令周期；SD0信號在SCLK時鐘上升延依次輸出由“W1WO寄存器”決定數據字節數，完成SPI接口的數據周期。

SPI讀時序：SPI接口的CS信號只有在“開始SPI讀寫寄存器”被置位后有效，其有效狀態要一直保持到最后一個數據傳輸完成；SD0信號在SCLK時鐘上升延依次輸出“R/W寄存器”、“W1WO寄存器”、“地址寄存器”的內容，完成SPI接口的指令周期；SD0信號在SCLK時鐘上升延依次儲存由“W1WO寄存器”決定數據字節數，完成SPI接口的數據周期。

3.2 軟件設計

配置AD9517-1ABCPZ的NOIS系統軟件設計可以分為2個主要的部分：SPI讀寫函數設計和AD9517-1ABCPZ寄存器配置函數設計。AD9517-1ABCPZ寄存器配置主要包括：SPI接口MSB或LSB寄存器配置、PLL使能寄存器配置、REFCLK選擇寄存器配置、分頻寄存器配置和倍頻寄存器配置等，按照其手冊進行配置就可以讓其輸出相應頻率的時鐘。SPI讀寫函數設計是該系統程序設計的重點，其決定SPI接口能否正常配置AD9517-1ABCPZ時鐘芯片。

SPI讀函數設計流程：①設置“R/W寄存器”為讀指令狀態；②設置“W1WO寄存器”，指示被讀寄存器的個數；③設置“地址寄存器”，指示本次SPI讀操作要訪問的AD9517-1ABCPZ寄存器起始地址；④判斷“狀態指示寄存器”是否為空閑狀態，若為空閑狀態，則進行⑤的操作，若為忙狀態，則等待；⑤設置“開始SPI讀寫寄存器”為開始讀狀態，發起SPI讀操作；⑥等待SPI讀操作完成，把暫存的數據讀入Nios II的CPU接口；⑦SPI讀操作完成后，由硬件FPGA程序，清除“開始SPI讀寫寄存器”的開始讀狀態，為下次讀操作做準備。

在開始SPI讀操作后，“狀態指示寄存器”指示SPI讀操作為忙狀態，直到SPI讀操作完成，“狀態指示寄存器”再次指示SPI讀操作為空閑狀態。在2次SPI讀之間，上一次讀操作完成，才能開始下一次的讀操作。本次SPI讀操作完成后，才能把數據讀入Nios II的CPU接口。何時把數據讀入到Nios II的CPU接口的程序有2種方法設計：①不作任何判斷，只在程序中加入足夠的時延；②對“狀態指示寄存器”的指示狀態進行判斷，在其指示忙狀態時程序一直處于等待狀態，但是等待要有一定的限度，在等待足夠的SCLK時鐘周期后，要跳出等待狀態，若此時“狀態指示寄存器”還是處于忙狀態，則輸出告警信息。

方法①的設計比較簡單，其執行效率不高，可靠性比較低，適合于程序處于理想狀態下運行的情況；方法2對狀態進行判斷，執行效率較高，雖然也進行了等待，但是在足夠的SCLK周期以后就跳出等待狀態，防止了程序死鎖，程序執行的可靠性較高。

SPI寫函數設計流程：①設置“R/W寄存器”為寫指令狀態；②設置“W1WO寄存器”，指示被寫寄存器的個數；③設置“地址寄存器”，指示本次SPI寫操作要訪問的AD9517-1ABCPZ寄存器起始地址；④判斷“狀態指示寄存器”是否為空閑狀態，若為空閑狀態，則進行⑤的操作，若為忙狀態，則等待；⑤設置“開始SPI讀寫寄存器”為開始寫狀態，發起SPI寫操作；⑥等待SPI寫操作完成；⑦SPI寫操作完成后，由硬件FPGA程序，清除“開始SPI讀寫寄存器”的開始寫狀態，為下次寫操作做準備。

在開始SPI寫操作后，“狀態指示寄存器”指示SPI寫操作為忙狀態，直到SPI寫操作完成，“狀態指示寄存器”再次指示SPI寫操作為空閑狀態。在2次SPI寫之間，上一次寫操作完成，才能開始下一次的寫操作。這樣的話在2次SPI寫操作之間，要加入延時判斷程序，若在每次SPI寫操作之間都加入延時判斷程序，會對程序執行效率帶來較大影響。在SPI MASTER模塊了加入適量的FIFO，用于緩存SPI寫指令，結合FPGA程序的乒乓設計，可以較大的提高程序的運行效率。

4 結束語

使用NOIS II搭建的SOPC結合自主設計的SPI MASTER模塊，可以靈活輕松的完成AD9517-1ABCPZ配置工作，讓其輸出系統所需的多種時鐘。基于Nios II的SOPC系統設計簡單靈活、開發周期短、成本低和系統維護升級方便，是許多中、低速系統設計不錯的選擇，今后必將在各個領域得到更廣泛的應用。

[1]孟 芳,于立佳,張文志.基于NiosⅡ的SOPC系統設計分析[J].無線電通信技術.2012,38(1):73-76.

[2]ALTERA ComPany,Nios IIprocess Reference handbook.Ver13.1.0[R].ALTERA ComPany,2014.

[3]ANALOG DEVICESComPany,AD9517-1ABCPZ datasheet.Rev.D[R].ALTERA ComPany,2012.

[4]Freescale ComPany,The Freescale SPIBus Specification.VERSION 4.01[R].ALTERA ComPany,2004.

[5]侯建軍,郭 勇.SOPC技術基礎教程[M].北京:清華大學出版社,2008.

[6]ALTERA ComPany,Embeded Design handbook.Ver2.9[R].ALTERA ComPany,2011.