用于SOC的SPI接口设计与验证

摘要：给出了一个可用于SoC设计的SPI接口IP核的RTL设计与功能仿真。采用AMBA 2.0总线标准来实现SPI接口在外部设备和内部系统之间进行通信，在数据传输部分，摒弃传统的需要一个专门的移位传输寄存器实现串/并转换的设计方法，采用复用寄存器的方法，把移位传输寄存器和发送寄存器结合在一起，提高了传输速度，也节约了硬件资源。采用SoC验证平台进行SoC环境下对IP的验证，在100 MHz时钟频率下的仿真和验证结果表明，SPI接口实现了数据传输，且满足时序设计要求。

0 引言

SPI(Serial Peripheral Interface)是一种同步串行总线接口，很多器件如E2PROM、FLASH、实时时钟、A/D转换器等都用到了SPI接口，它也是SoC中的一个常用外围功能模块。AMBA总线是由ARM公司开发的一种高性能、开放性SoC系统总线，它主要包括AHB，ASB和APB三种总线类型。AHB总线主要用于连接高性能、高速度的系统模块，如CPU，DSP，SRAM等;APB总线主要用于连接低速外围模块，如UART，I2C等，接口简单，效率高，功耗低;ASB总线通过连接系统高速部件来实现高速通信，一般较少用到。

本文设计一个可作为IP核用于SoC设计的SPI接口，采用AMBA2.0总线标准来实现SPI接口在外部设备和内部系统之间进行通信，SPI接口作为低速外围模块挂载在APB总线上。

1 SPI接口的定义

1.1 接口信号

SPI的接口信号为同步串行时钟SCLK、主机输入/从机输出MISO、主机输出/从机输入MOSI、从机选择

(低电平有效)，由于只用到四根线工作，与其他接口相比具有结构简单、速度快的优点。SPI有主/从两种工作模式，SPI总线的串行时钟SCLK用来同步数据传输，在主模式下由主机产生，从机选择信号

用来决定外部设备是否被选作SPI的从设备。主从设备连接方式如图1所示。

1.2 内部寄存器

SPI的内部寄存器如表1所示。

1.3 传输时序

在本设计中，SPI的传输时序由控制寄存器CTRL来决定。CTRL[9]定义为RX_NEGE，置1表示数据在时钟下降沿接收，置0为上升沿接收;CTRL[10]定义为TX_NEGE，置1表示数据在下降沿发送，置0为上升沿发送;CTRL[11]定义为LSB，置1表示数据从最低位开始传输，置0从最高位开始传输。CTRL[6：0]定义为CHAR_LEN，为数据传输长度，最长可为128 b。以其中一种传输时序为例说明，如图2所示。

2 SPI接口的RTL设计

本设计是针对SoC系统的，目标是实现适用于SoC设计并且符合SPI通信协议的IP核，实现SoC通过此SPI接口和外设通信。所以，本设计分成SPI主机模块spi_master的设计和SPI从机模块spi_slave的设计，采用Verilog HDL进行RTL设计。

2.1 spi_master模块设计

spi_master的功能主要包括：

(1)实现主机通过APB总线初始化spi_master的寄存器;

(2)实现spi_master和spi_slave之间的数据交换。

因此，spi_master模块主要就是实现分频和串并转换，主要包含时钟产生子模块spi_clgen和数据传输子模块spi_shift，其设计结构如图3所示。

2.1.1 时钟产生子模块设计

该子模块主要作用是产生SPI主/从设备通信所需的同步串行时钟sclk。在主模式下，sclk由系统提供的时钟信号pclk分频产生，产生的串行时钟的时钟频率由式(1)计算得来：

传输开始前，cnt载人DIVIDER值，满足传输条件下cnt减1计数，减为0时，输出时钟clk_out翻转，并且在clk_out的上升沿和下降沿分别产生pos_edge和neg_edge信号。

2.1.2 数据传输子模块设计

该子模块的主要功能是完成数据的串/并转换。在本设计中，该子模块负责把内部APB总线并行传输进来的数据转化成串行数据传输给SPI从设备，并且把外部SPI从设备串行传输进来的数据转化成并行数据传入到APB总线上。

传统的串/并转换设计方法需要一个专门的移位传输寄存器，本设计采用了复用寄存器的方法，把移位传输寄存器和发送寄存器结合在一起。当传输停止且总线锁存使能时，数据从APB总线并行传输到spi_shift移位传输寄存器即发送寄存器TxX，然后在传输时钟使能情况下串行输出到MOSI;而在主机接收使能的情况下，由从机MISO串行输人数据至spi_shift移位传输寄存器。传输结构如图4所示，从图4可以看出，数据传输位宽最大可达128 b/s。

2.1.3 RTL代码设计

spi_master模块代码设计划分如下：

(1)寄存器选择使能信号的地址译码电路;

(2)读寄存器部分，将并行数据输出到APB总线上;

(3)控制寄存器ctrl、时钟分频寄存器divider、从机选择寄存器ss初始化部分;

(4)例化时钟分频子模块和数据传输子模块。

为了提高代码的复用性，特别设计了一个宏定义模块，主要定义了传输最大位数SPI_MAX_CHAR，分频寄存器位数SPI_DIVIDER_LEN，从机选择数目SPI_SS_NB等相关数据。

2.2 spi_slave模块设计

这部分设计作为SPI的从设备与主机进行数据交换，与spi_shift模块时钟同步。通信开始后，从机数据最高位开始串行输入到MISO，主机发出的数据从最低位串行输出到MOSI。

3 SPI接口的功能仿真

本设计采用Verilog HDL编写Testbench，使用ModelSim软件进行功能仿真，并用Debussy软件联合调试并观察波形。为了实现主从设备通信的仿真，编写了一个p_master模块并例化到测试代码里面来模拟主机SoC对spi_master的操作，主要包括一个数据写task、一个数据读task、一个数据比较task。分别测试了1 b，8 b，16 b，32 b，64 b，128 b的数据。仿真全部通过，局部仿真波形如图5所示。

以第一次传输为例进行分析，传输时调用写任务，分别向寄存器DIVIDER、TX_0、CTRL写入32’h01、32’h5a、32’h308，设定spi_sla ve.data为32’ha5967e5a。由波形看出，数据在ss[0]有效传输，传输完成后MIS0=8’b10100101(即32’ha5)，MOSI=8’b01011010(即32’h5a)，满足了上升沿发送下降沿接收及高位先开始的数据传输时序。在100 MHz的主时钟频率下，得到串行时钟频率25 MHz，为4分频，符合式(1)的计算。

4 SPI接口的SoC平台验证

验证用SoC平台具有良好的可重用性和通用性，可以方便的挂接带有AHB/APB总线接口的IP核，并通过内部寄存器对其进行配置和验证，避免了对不同IP设计需要不同的Testbench平台，提高了IP验证的效率。本设计用到的SoC验证平台如图6所示，验证环境为Linux操作系统，仿真工具为VCS。

在SoC验证平台中，SPI接口作为外设连接在APB总线的Slave4端口上，地址空间为0xA400_0000～0XA4FF_FFFF。用C测试程序向Tx0写32’h67，spi_slave.data=32’h0，局部仿真波形如图7所示，MOSI=8’b01100111(即32’h67)，MISO=8’b0，结果表明符合要求。

5 结语

本文实现了基于AMBA 2.0总线的、可作为IP核用于SoC设计的SPI接口的设计，并且经过全面的仿真验证，可以看出本设计满足性能要求。