在SOC设计中,利用EDA 工具设计芯片实现系统功能已经成为支撑电子设计的通用平台.并逐步向支持系统级的设计方向发展。而且,在设计过程中,越来越强调模块化设计。
    SPI总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口,具有接口线少、通讯效率高等特点。本文给出的是利用Verilog HDL实现的SPI总线模块,该模块是802.11b无线局域网芯片中一个子模块,该模块完成了芯片中基带(base band)与RF的通讯工作.

1 SPI总线接口概述
    SPI(Serial Parallel Bus)总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口,允许CPU 与各种外围接口器件(包括模/数转换器、数/模转换器、液晶显示驱动器等)以串行方式进行通信、交换信息。他使用4条线：串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出线(MISO)、主机输出/从机输入线(MOSI)、低电平有效的使能信号线(CS)。这样,仅需3～4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I/O器件 其典型结构如图1所示。
 
SPI总线具有以下特点：
(1)连线较少,简化电路设计。并行总线扩展方法通常需要8根数据线、8～16根地址线、2～3根控制线。而这种设计,仅需4根数据和控制线即可完成并行扩展所实现的功能。
(2)器件统一编址,并与系统地址无关,操作SPI独立性好。
(3)器件操作遵循统一的规范,使系统软硬件具有良好的通用性。

2 SPI总线接口的设计与实现
    该模块是802.1lb无线局域网芯片中的一子模块,其在芯片中的位置如图2所示。
 
    其中base band(基带)为SPI的主控器(master),RF(射频)为SPI的受控器(slave)。SPI interface作为baseband与RF的通讯接口,主要完成以下工作：
(1)将从base band接收到的16位的并行数据,转换为RF所能接收的串行数据,并将该数据根据SPI协议送给RF。
(2)产生RF所需的时钟信号SCLK,使能信号CSB。
(3)接收从RF传回的串行数据,并将其转换为并行数据。
(4)将base band发送的数据,与RF返回的数据进行比较,并把比较结果传给base band。
    下面给出用Verilog HDL语言实现前两项功能的关键程序,相关变量的声明在此略去。
//generate a counter
always@ (posedge clock or negedge reset)
begin
  if(!reset)
    counter<= 0;
  else if(enable)
  begin
    if(counter< 53)
    counter=counter + 1;
  end
end
//generate signal "csb"
always@ (posedge clock or negedge reset)
begin
  if(!reset)
    csb <=1;
  else if(counter>= 1 && counter <= 50)
    csb = 0;
  else
    csb = 1;
end
//Generate "sclk"
always@ (posedge clock or negedge reset)
begin
  case(counter)
    6'd02: sclk = 1;
    6'd05: sclk = 1;
    6'd08: sclk = 1;
    6'd11: sclk = 1;
    6'd14: sclk = 1;
    6'd17: sclk = 1;
    6'd20: sclk = 1;
    6'd23: sclk = 1;
    6'd26: sclk = 1;
    6'd29: sclk = 1;
    6'd32: sclk = 1;
    6'd35: sclk = 1;
    6'd38: sclk = 1;
    6'd41: sclk = 1;
    6'd44: sclk = 1;
    6'd47: sclk = 1;
    default sclk = 0;
endcase
end
always@ (counter or csb)
begin
  if(csb == 0)
  case(counter)
    6'h00,
    6'h01,
    6'h02,
    6'h03:mosi_index = 5'h00;
    6'h04,
    6'h05,
    6'h06:mosi_index = 5'h01;
    6'h07,
    6'h08,
    6'h09:mosi_index = 5'h02;
    6'h0A,
    6'h0B,
    6'h0C:mosi_index = 5'h03;
    6'h0D,
    6'h0E,
    6'h0F:mosi_index = 5'h04;
    6'h10,
    6'h11,
    6'h12:mosi_index = 5'h05;
    6'h13,
    6'h14,
    6'h15:mosi_index = 5'h06;
    6'h16,
    6'h17,
    6'h18:mosi_index = 5'h07;
    6'h19,
    6'h1A,
    6'h1B:mosi_index = 5'h08;
    6'h1C,
    6'h1D,
    6'hlE:mosi_index = 5'h09;
    6'h1F,
    6'h20,
    6'h21:mosi_index = 5'h0A ;
    6'h22,
    6'h23,
    6'h24:mosi_index = 5'h0B;
    6'h25,
    6'h26,
    6'h27:mosi_index = 5'h0C ;
    6'h28,
    6'h29,
    6'h2A:mosi_index = 5'h0D ;
    6'h2B,
    6'h2C,
    6'h2D:mosi_index = 5'h0E;
    6'h2E,
    6'h2F,
    6'h30:mosi_index = 5'h0F;
    default:mosi_index = 5'h00;
  endcase
  else
    mosi_index = 5'h00：
end
assign mosi=spi_data[mosi_index3];
(声明：以上程序已经过修改,只供借鉴,不可用作商业用途)
    用Verilog HDL实现的SPI总线接口模块,在ModelSim 中编译、调试,并做了前仿真。
    前仿真通过后,又在Altera公司的EPXA10 Develop Board上做了FPGA验证,结果与在ModelSim 中的仿真结果一致。最后在base band与RF的联合调试过程中,该SPI总线接口模块达到了预期的要求。

参考文献
[1] 任志斌,车长征.串行外设接口SPI的应用[J].电子技术应用,2002,29(10)：20-22.
[2] 易志明.SPI串行总线接口及其实现[j].自动化与仪器仪表,2002,(6)：45-48.
[3] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003.