FPGA构造spi时序——AD7176为例（转）

reference：https://blog.csdn.net/fzhykx/article/details/79490330

项目中用到了一种常见的低速接口（spi），于是整理了一下关于spi相关的知识，与AD采样的芯片7176通信的协议为spi

一.对spi协议的理解

spi扫盲

除了供电、接地两个模拟连接以外，SPI总线定义四组数字信号：

- 接口时钟SCLK（Serial Clock，也叫SCK、CLK），master输出至slave的通讯时钟。

- MOSI（ Master Output Slave Input，也叫SIMO、MTSR、DI、DIN、SI）自master输出至slave的数据线。

- MISO （Master Input Slave Output，也叫SOMI、MRST、DO、DOUT、SO）自slave输出至master的数据线。

- SS（Slave select，也叫nSS、CS、CSB、CSN、EN、nSS、STE、SYNC）master对slave的片选信号，自master输出至slave，低有效。

SPI接口是一种典型的全双工接口，通过同步时钟SCLK的脉冲将数据一位位地传送。所以在开始通讯前，master首先要配置接口时钟（确定其通讯频率是SLAVE可以支持的，通常为数兆赫兹）。

当MASTER片选一个SLAVE时，每向SLAVE发送一个周期的SCLK信号，都会有1bit的数据从MOSI发送至slave，与此同时，slave每收到一个周期的SCLK信号，都会从MISO向master发送1bit的数据。这种全双工通讯，是由硬件保证的（MASTER与HOST中各有一个移位寄存器作为收发数据的缓存）。

二.AD7176使用简单说明

1>写入与读入方法

对于FPGA为master而言，要注意SCLK下降沿发数给AD7176，上升沿读AD7176的数。在写入的时候，先用SPI时序，写入一个8bits的CMD，CMD就是通信寄存器，负责控制写入还是读出和要通信的寄存器名称，随后写写入8bit/16bit/24bit的数据。

在读数据的时候也需要通过通信寄存器也就是CMD读取，要规定好读数据和读哪个寄存器的值。

2>AD7176配置流程

具体寄存器还需要查看手册具体配置。

三.程序源代码讲解

1>程序源码

`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2017/03/10 11:08:45
// Design Name:
// Module Name: spi_core
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module spi_core(
    input clk,//50M
    input rst,

    input [:] din,  //要输出
    input s_valid,      //要输出
    input[:] readnum,//指示指令读取数据的长度 2’b00:0,2'b01:8,2'b10:256,2'b11:1664480(320*257*2)
    output spi_ready,

    output [:] dout,
    output m_valid,

    input cfg_finsih,

    input spi_miso,
    output spi_mosi,
    output spi_cs,
    output spi_clk,
    output empty

    );
/*
本模块只完成SPI协议所规定的时序，不涉及FLASH指令的编写
*/
parameter IDLE = 'd0;
parameter S1   = 'd1;
parameter S2   = 'd2;
parameter S3   = 'd3;
parameter S4   = 'd4;
parameter S5   = 'd5;
parameter S6   = 'd6;
parameter Smid ='d7;
reg [:] sta_spi;
reg spi_ready_r;
reg spi_clk_r;
reg spi_cs_r;
reg spi_mosi_r;

wire wr_en;
reg rd_en;
wire dout_fifo;
//wire empty;
wire full;
wire[:] rd_count;

assign spi_clk  = spi_clk_r;
assign spi_cs   = spi_cs_r;
assign spi_mosi = dout_fifo;//spi_mosi_r;
assign spi_ready = spi_ready_r;
assign wr_en = s_valid;
//fifo_generator_0 fifo_generator_0 (
//.rst(~rst),        // input wire rst
//.wr_clk(clk),  // input wire wr_clk
//.rd_clk(clk),  // input wire rd_clk
//.din(din),        // input wire [7 : 0] din
//.wr_en(wr_en),    // input wire wr_en
//.rd_en(rd_en),    // input wire rd_en
//.dout(dout_fifo),      // output wire [0 : 0] dout
//.full(full),      // output wire full
//.empty(empty),    // output wire empty
//.rd_data_count(rd_count)
//);
fifo_generator_0 fifo_generator_0 (
  .clk(clk),                      // input wire clk
  .srst(~rst),                    // input wire srst
  .din(din),                      // input wire [7 : 0] din
  .wr_en(wr_en),                  // input wire wr_en
  .rd_en(rd_en),                  // input wire rd_en
  .dout(dout_fifo),                    // output wire [0 : 0] dout
  .full(full),                    // output wire full
  .empty(empty)                 // output wire empty
//  .rd_data_count(rd_count)  // output wire [15 : 0] rd_data_count
);
reg recv_reg;
reg recv_ok;
reg [:] recv_num;
reg [:] NUM;
always @(posedge clk)
begin
    if(~rst)begin
        sta_spi <= IDLE;
        spi_clk_r <= 'b1;
        spi_cs_r <= 'b1;
        spi_mosi_r <='b0;
        rd_en <= 'b0;
        recv_reg <= 'b0;
        recv_ok <= 'b0;
        spi_ready_r <= 'b0;
        recv_num <= 'd0;
    end
    else begin
        case(sta_spi)
            IDLE:begin
                recv_ok <= 'b0;
                recv_num <= 'd0;
                spi_clk_r <= 'b1;
                if(~empty)begin
                    rd_en <= 'b1;
                    sta_spi <= S1;
                    spi_ready_r <= 'b0;
                end
                else
                    spi_ready_r <= 'b1;
            end
            S1:begin
                rd_en <= 'b0;
                spi_clk_r <= 'b0;
                spi_cs_r <= 'b0;
                spi_mosi_r <= dout_fifo;
                sta_spi <= S2;
            end
            S2:begin
                spi_clk_r <= 'b1;
//                sta_spi <= S3;
                if(~empty)begin
                    rd_en <= 'b1;
                    sta_spi <= S1;
                end
//                else if(empty)
//                spi_cs_r<=1'b1;
                else if(readnum!='b00)  //就是要读数的意思
                    sta_spi <= S4;
                else
                    sta_spi <= S3;
            end
            S3:begin
                sta_spi <= IDLE;
                spi_clk_r <= 'b0;
                spi_cs_r <= 'b1;
            end
            S4:begin
                spi_clk_r <= 'b0;
                recv_ok <= 'b0;
                sta_spi <= S5;
            end
            S5:begin
                spi_clk_r <= 'b1;
                recv_num <= recv_num +'b1;
                recv_reg <= spi_miso;
                recv_ok <= 'b1;
                if(recv_num!=NUM)
                    sta_spi <= S4;
                else begin
                    sta_spi <= IDLE;
                    spi_cs_r <= 'b1;
                end
            end
        endcase
    end
end

always @(posedge clk)
begin
    if(~rst)
        NUM <= 'd0;
    else begin
        case(readnum)
            'b00:NUM <= 21'd0;
            'b01:NUM <= 21'd7;
            'b11:NUM <= 21'd23;
        endcase
    end
end
reg [:] dout_r;
reg m_valid_r;
reg [:] cnt_bit;
always @(posedge clk)
begin
    if(~rst)begin
        dout_r <= 'd0;
        m_valid_r <= 'b0;
        cnt_bit <= 'd0;
    end
    else if(recv_ok)begin
        //m_valid_r <= 1'b0;
        dout_r <= {dout_r[:],recv_reg};
        cnt_bit <= cnt_bit + 'b1;
        if(cnt_bit=='d15)
             m_valid_r <= 'b1;
        else
             m_valid_r <= 'b0;
    end
    else
        m_valid_r <= 'b0;
end
assign dout = dout_r;
assign m_valid = m_valid_r;

/*********************************/
endmodule

2>软件仿真时序

配置过程也就是FPGA用SPI输出过程，每次片选信号CS拉低，下降沿发数

3>读数阶段软件仿真

波形也和手册的时序相对应