1.SPI简介
SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，通常说SPI接口或SPI协议都是指SPI这一种串行外设接口规范。相对于串口，SPI是一种高速的（可达10Mb\s以上），全双工，同步的通信总线。串口是点对点的全双工的异步通信，因此要通信双方按照相同的约定（指起始、暂停位、波特率）才能在数据上同步，准确通信。而SPI是一种同步通信的总线结构，同步是指有专门时钟线用来同步源端和目的端，总线结构是指主从之分，通常是一个设备做主，可以多个设备做从，也正因为如此才有了CS片选线，指定所选从设备。
而在实际的应用中，通常也只是一主一从。SPI接口多应用于Flash、ADC、LCD控制器，CMOS寄存器配置接口等场景。SPI在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。
2.时序
SPI有四根线，如下，
（1）MISO– Master Input Slave Output，主设备数据输入，从设备数据输出；
（2）MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
（3）SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；
（4）CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。
SPI有四种数据传输的时序模式，这是有设备的属性的决定的，用CPOL和CPHA表示这四种时序。CPOL是用来决定SCK时钟信号空闲时的电平，CPOL=0（1），空闲电平为低电平（高电平）；CPHA是用来决定采样时刻的，CPHA=0，在每个周期的第一个时钟沿采样，CPHA=1，则在每个周期的第二个时钟沿采样。通常使用的是MODE0模式，即CPOL=CPHA=0，空闲时为低电平，在第一个时钟沿采样。其他几种模式如果需要可以上网搜索，资料很多。
使用SPI接口时需要注意，很多SPI接口的芯片并不是标准的SPI协议，可能是稍有变化，例如对哪个沿采样会有明确的说明。此外，还有一种可能是在SPI协议的基础上进一步做限制，例如要求一次读写过程结束后CS必须拉高等。SPI要求是高位在前，MSB的方式。还有就是SPI一个时钟周期必然要执行接收一位数据和发送一位数据。
3.Dual、Qual模式
上面描述的就是标准SPI，有4根引脚信号：clk , cs, mosi, miso。针对SPI Flash而言，有Dual SPI和Qual SPI两种模式，这是因为，Flash器件的全双工并不常用，因此扩展mosi和miso的用法，让它们工作在半双工，用以加倍数据传输。也就是对于Dual SPI Flash，可以发送一个命令字节进入dual mode，这样mosi变成SIO0（serial io 0），mosi变成SIO1（serial io 1）,这样一个时钟周期内就能传输2个bit数据，加倍了数据传输。与Dual SPI类似，Qual SPI Flash增加了两根I/O线（SIO2,SIO3），目的是一个时钟内传输4个bit。
4.例程设计与代码解读
如图所示，把Spi_driver模块的输入输出分成两个部分，一个部分为图示左侧的与其他模块交互的接口，另一部分为图示右侧与物理管脚相连。Spi_en信号为外部的脉冲信号，收到该脉冲执行一次8Bit的发送动作，和8Bit的接收动作。通过VIO产生spi_en信号和要发送的数据信号data[7:0]，将板卡上的mosi和miso管脚相连，判断发送数据和接收数据是否一致，若一致则点亮led。由于缺乏带SPI设备的板卡，故设计此例程。一次发送动作结束后会产生spi_done的脉冲信号，在发送动作执行过程中，spi_busy持续为拉高状态。另外，spi_sck作为同步时钟直接决定传输数据的速度，通常在10Mb/s以下，或者依据对端设备来指定。
在使用SPI设备时可以修改此驱动模块以满足需求，左侧信号与外部设备交互，当busy拉高的时候不允许发送spi_en信号；可以对data信号采用多路选择器，以完成某些固定的指令或者读写操作；同样，数据的位宽也可以扩展。另外，实际使用的时候应该使用cs管脚，按照相关设备的要求灵活运用该管脚。
下面代码在硬件板卡上完成测试。该代码使用MODE0，即CPOL=CPHA=0的模式。程序分为以下四步，第一步产生sck同步时钟，第二步依据en指示信号写数据，第三步依据en指示信号并发读数据，第四步产生ui交互信号。
module spi_wr(input clk_i ,//user interface// input spi_en ,//其他模块的spi使能信号// input [7:0]data ,output spi_busy ,//指示spi的状态,表示SPI过程output spi_done ,//指示spi结束一次动作output led,// output spi_cs ,//SPI从机的片选信号，低电平有效。output spi_clk ,//主从机之间的数据同步时钟。output spi_mosi ,//数据引脚，主机输出，从机输入。input spi_miso //数据引脚，主机输入，从机输出。 );// assign spi_cs = 0;//1.同步时钟产生模块 用50MHz分频为50KHzassign spi_clk = m_clk;parameter [9:0] SPI_DIV = 10'd499;//分频定为50KHz，50Mhz/50K/2- 1'b1=499reg [9:0] clk_cnt = 10'd0;//分频计数器always@(posedge clk_i)beginif(clk_cnt < SPI_DIV&&spi_busy)clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;else clk_cnt <= 10'd0;endreg m_clk = 1'b0;always@(posedge clk_i)beginif(spi_en)m_clk <= 1'b0;else if(clk_cnt==SPI_DIV) m_clk <= ~m_clk;end//2.接收en信号和数据，执行spi mosi操作（写数据）//计数发送个数reg [3:0]tx_cnt = 0;always@(posedge clk_i)beginif(spi_en)begintx_cnt <= 0; end else if((clk_cnt == SPI_DIV)&&(tx_cnt==4'd8))begintx_cnt <= 0;end else if((clk_cnt == SPI_DIV)&&spi_clk==0)tx_cnt<=tx_cnt+1;end//移位寄存器发送wire [7:0]data;reg [7:0]data_reg=8'b0;//数据源always@(posedge clk_i)beginif(spi_en)data_reg <= data;else if(spi_done)data_reg <=8'b0;else if(clk_cnt == SPI_DIV&&spi_clk==1)data_reg[7:0] <= {data_reg[6:0],data_reg[7]};endassign spi_mosi = data_reg[7];//3.接收en信号和数据，执行spi miso操作（读数据）reg [7:0]data_fifo=8'b0;always@(posedge clk_i)beginif((clk_cnt == SPI_DIV)&&spi_clk==0)begincase (tx_cnt)0 : data_fifo[7] <= spi_miso;1 : data_fifo[6] <= spi_miso;2 : data_fifo[5] <= spi_miso;3 : data_fifo[4] <= spi_miso;4 : data_fifo[3] <= spi_miso;5 : data_fifo[2] <= spi_miso;6 : data_fifo[1] <= spi_miso;7 : data_fifo[0] <= spi_miso;default: ;endcaseend else data_fifo <= data_fifo;end//4.发出user interface相关指示信号wire spi_en;reg spi_busy =0;assign spi_done = ((clk_cnt == SPI_DIV)&&(tx_cnt==4'd8)) ? 1'b1 : 1'b0;assign led = (data_fifo==8'b11010111) ? 1'b1 : 1'b0;//产生busy信号，指示spi进程always@(posedge clk_i)beginif(spi_en)spi_busy<=1'b1;else if(spi_done)spi_busy<=1'b0;elsespi_busy<=spi_busy;endvio_0 use_vio (.clk(clk_i), // input wire clk.probe_out0(spi_en), // output wire [0 : 0] probe_out0.probe_out1(data) // output wire [7 : 0] probe_out1);ila_0 your_instance_name (.clk(clk_i), // input wire clk.probe0({data_reg,data_fifo}), // input wire [15:0] probe0 .probe1(tx_cnt), // input wire [3:0] probe1 .probe2({spi_en,spi_mosi,spi_miso,spi_busy}) // input wire [3:0] probe2);
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