目录

1、什么是SPI协议

2、SPI协议详述

2.1、SPI协议物理层

2.2、SPI 协议层

2.3、SPI协议通信过程

2.4、SPI协议的特性

2.5、SPI协议的优势、劣势

3、驱动代码的设计实现

3.1、接口定义与整体设计

3.2、Verilog代码

4、Testbench及仿真结果

4.1、单个BYTE的仿真

4.2、多个BYTE的仿真

5、其他

        SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）通讯协议，是 Motorola 公司提出的一种同步串行接口技术，是一种高速、全双工、同步通信总线，在芯片中只占用四根管脚用来控制及数据传输，广泛用于 EEPROM、Flash、RTC（实时时钟）、ADC（数模转换 器）、DSP（数字信号处理器）以及数字信号解码器上，是常用的、重要的低速通讯协议之一。

        SPI 通讯协议的优点是支持全双工通信，通讯方式较为简单，且相对数据传输速率较快；缺点是没有指定的流控制，没有应答机制，在数据可靠性上有一定缺陷。

        SPI 通讯设备的通讯模式是主从通讯模式，通讯双方有主从之分，根据从机设备的数量，SPI 通讯设备之间的连接方式可分为一主一从和一主多从。

        SPI总线传输只需要4根线就能完成，这四根线的作用分别如下：

        SPI总线传输一共有4种模式，这4种模式分别由时钟极性(CPOL，Clock Polarity)和时钟相位(CPHA，Clock Phase)来定义，其中CPOL参数规定了SCK时钟信号空闲状态的电平，CPHA规定了数据是在SCK时钟的上升沿被采样还是下降沿被采样。

                SPI总线的极性--时钟极性

                        时钟极性决定SPI总线空闲时的时钟信号是高电平还是低电平。CPOL = 1：表示空闲时是高电平；CPOL = 0：表示空闲时是低电平。

                SPI总线的相位--时钟相位

                        时钟相位决定SPI总线从哪个跳变沿开始采样数据。CPHA = 0：在时钟信号SCK的第1个跳变沿采样；CPHA = 1：在时钟信号SCK的第2个跳变沿采样。

        这四种模式的时序图如下图所示：

        经常用到的是模式0和模式3（毕竟在下降沿采集数据的还是少）。下图描述了4种模式数据线MOSI和MISO的数据切换(Toggling)位置和数据采样位置的关系。

        下面以模式 0 为例，讲解一下 SPI 基本的通讯过程：

        SCK、MOSI、CS_N 信号均由主机控制产生， SCK 是时钟信号，用以同步数据，MOSI 是主机输出从机输入信号，主机通过此信号线传输数据给从机，CS_N 为片选信号，用以选定从机设备，低电平有效；而 MISO 的信号由 从机产生，主机通过该信号线读取从机的数据。MOSI 与 MISO 的信号只在 CS_N 为低电平的时候才有效，在 SCK 的每个时钟周期 MOSI 和 MISO 传输一位数据。 

        在图中的标号1处，CS_N 信号线由高变低，是 SPI 通讯的起始信号。CS_N 是每 个从机各自独占的信号线，当从机在自己的 CS_N 线检测到起始信号后，就知道自己被主 机选中了，开始准备与主机通讯。在图中的标号6处，CS_N 信号由低变高，是 SPI 通讯的停止信号，表示本次通讯结束，从机的选中状态被取消。

        SPI 使用 MOSI 及 MISO 信号线来传输数据，使用 SCK 信号线进行数据同步。MOSI 及 MISO 数据线在 SCK 的每个时钟周期传输一位数据，且数据输入输出是同时进行的。数据传输时，MSB 先行或 LSB 先行并没有作硬性规定，但要保证两个 SPI 通讯设备之间使用同样的协定，一般都会采用MSB 先行模式。 MOSI 及 MISO 的数据在 SCK 的下降沿期间变化输出， 在 SCK 的上升沿时被采样。即在 SCK 的上升沿时刻，MOSI 及 MISO 的数据有效，高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。在其它时刻，数据无效，MOSI 及 MISO 为下一次表示数据做准备。

        SPI 每次数据传输可以 8 位或 16 位为单位，每次传输的单位数不受限制。

        优势：

        劣势：

        接下来实现的SPI驱动代码特性如下：MSB 先行；仅限模式0；每次传输8位（1个BYTE）。

        SPI驱动的整体框图、输入输出信号如下所示：

    其中信号描述如下： 

        该模块的使用方法如下：

        Verilog代码并不复杂，结合下图的SPI通信过程，可以发现以下要点：