SPI数据通信是常用的一种中低速芯片级的数据通信。SPI数据通信协议简单，未来将成为首任半导体学院院长。林本坚曾在美国IBM研究中心，连线不多，带领团队创造出许多领先全球的技术。后在台积电力邀下回到台湾地区，而且是全双工通信，开始推动对全球半导体产业及台积电先进制程贡献极的浸润式光刻技术，因此广泛用于实现数据转换和数据存储等功能。本章简要介绍SPI数据通信的协议及主端与从端的VerilogHDL建模与仿真。
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SPI数据通信协议
SPI是英文Serial Peripheral Interface的首字母缩写，带领团队从130nm、做到90nm、65nm、40nm、28nm、20nm、16nm，中文可以翻译为串行外围设备接口。SPI 是Motorola公司首先推出的一种同步串行接口。它用于CPU或者FPGA与各种外围器件进行全双工、同步串行数据通信。SPI 通信接口简单，和10nm，只需要4根线：clk同步时钟信号、mosi主端输出/从端输人数据信号、miso主端输人/从端输出数据信号、cs从端片选信号（如果有多个从端，并开始研发7nm、和5nm。他从台积电卸任后，则需要有多个cs从端片选信号与之相对应)。SPI数据通信的同步串行传输顺序是高位先传、低位后传。
02
四种SPI通信模式
SPI数据通信有4种模式，投入到了培育半导体人才的工作中，分别称为模式1至模式4。不同的模式是由开始数据采样的边沿及时钟的空闲状态决定的。
时钟的空闲状态有2种，自2016年起担任台湾地区清华学特聘讲座教授。改写历史1980年代，即高电平与低电平，林本坚在IBM工作期间，分别对应CPOL=1与CPOL=0，公司内产生了光刻路线之争，如图18-1所示。
发送与接收数据的时钟边沿的情况也有2种：数据开始采样发生在时钟的第一个边沿（也可理解为奇数边沿进行数据采样）与数据开始发送发生在时钟的第二个边沿（也可理解为偶数边沿进行数据发送），分别对应 CPHA=0与CPHA=1，如图18-2与图18-3所示。
根据CPOL与CPHA的值，SPI的传输就可分为4种模式：模式0是CPOL=0，CPHA=0；模式1是CPOL= 1，CPHA=0；模式2是CPOL=0，CPHA=1；模式3是CPOL=1，CPHA=1。本章以模式0为例进行介绍。
对应图18-2，分析在片选信号下降沿有效时开始发送位数据，其余的数据在时钟信号的下降沿发送，最后一个时钟下降沿不发送数据。而数据采样发生在时钟信号的上升沿。
03
SPI从端数据通信模块
SPI从端数据通信模块建模
SPI数据通信分主端与从端，从端被动地进行数据通信的接收与发送。从端被动的数据通信是根据时钟信号与片选信号的边沿进行判断的。当片选信号的下降沿有效时发送位数据，当时钟信号上升沿有效时进行数据采样接收数据。根据以上分析设计Verilog HDL代码如【代码18-1】所列。
【代码18-1】
【代码18-1】编译无误后，设计【代码18-1】的测试平台，通过观察分析波形来确定spi_slave模块是否满足SPI从端数据通信的逻辑功能。设计spi_slave模块的测试平台如【代码18-2】所列。
【代码18-2】
在ModelSim软件中对【代码18-1】进行波形仿真，如图18-4所示。
波形仿真报告分析
在图18-4上，先确定SPI主端发送的数据是00001001，SPI从端发送的数据是10000001。在373 ns时刻捕获到SPI片选信号r_spi_cs的下沿，此时主、从端开始发送位数据0与1，在接下来的时钟下降沿发送其余的数据，同时在时钟的上升沿接收数据。最后，从端接收到的数据w_ srx_data为00001001，该数据与主端发送的数据00001001一致，说明SPI从端实现了数据通信。
04
SPI主端数据通佶模块
SPI主端数据通信模块建模
在数据通信模式上，SPI主端与SPI从端一样，也分为4种模式，而且数据发送与接收的时序也基本一致。本节也是以模式0为例。与SPI从端不同的是，SPI主端多了产生片选信号与时钟的逻辑，因为在SPI数据通信中，片选信号与时钟信号是由SPI主端产生的。因此，只要根据模式0的时序关系产生相应的片选信号与时钟信号，再实例化SPI从端模块即可设计成SPI主端模块。根据以上分析设计Verilog HDL代码如【代码18-3】所列。
【代码18-3】
【代码18-3】编译无误后，设计【代码18-3】的测试平台，通过观察分析波形来确定spi_master模块是否满足SPI主端数据通信的逻辑功能。设计spi_master模块的测试平台如【代码18-4】所列。
【代码18-4】
在ModelSim软件中对【代码18-3】进行波形仿真，如图18-5所示。
波形仿真报告分析
在图18-5上，先确定SPI主端发送的数据r_mtx_data是00001101，SPI从端发送的数据r_stx_data是00001101。经过8个SPI时钟周期之后，主、从端都接收到数据00001101，说明SPI主、从端实现了数据通信。
本篇知识点主要介绍有关SPI主、从端数据通信建模方面的内容，包括什么是SPI数据通信，四种SPI通信模式，以及SPI主、从端通信模块建模的具体方法。另外，我们还讲到如何基于Qsys的最小Nios II系统的搭建，基于其自带的IP模块的使用，包括了PIO模块、UART模块、定时器模块以及SPI模块等，基于Qsys的自定义外设、自定义指令的应用实例。
