一、前言

突然想记录下接触到的东西，用于记录、总结和回顾，就从FPGA的SPI开始。

二、目标

通过SPI读取FLASH数据，并通过串口RS232反馈。

三 、基础知识

1.SPI简介

1）SPI为全双工，同步串行数据总线。

全双工：数据可以同时双向传输。与之相对的半双工，也是可以双向传输，但是不能同时双向。
同步：发送端和接收端时钟一致，在一个时钟下发送与接收；
串行：数据在一根信号线上按位传输。与之相对的并行通信，数据的每一位同时在多根数据线上传输。

2）SPI主从模式。

SPI分为主、从两种模式，一个SPI通讯系统需要包含一个主设备，一个或多个从设备，主设备只能有一个。
提供时钟的为主设备（Master），接收时钟的设备为从设备（Slave）。
SPI的读写操作，都是由主设备发起。当存在多个从设备时，通过各自的片选信号进行管理。

MISO：主机输入，从机输出（数据来自从机）；
MOSI：主机输出，从机输入（数据来自主机）；
SCLK：串行时钟信号，由主机产生发送给从机；
CS	：片选信号，由主机发送，以控制与哪个从机通信，通常是低电平有效信号。

4）SPI通信协议。

SPI通信寻址依靠片选信号CS，无应答机制，在传输过程中所有的控制来自SCLK时钟信号。 主要有三点需要注意，分别是传输流程、数据更新与采集、移位寄存这三点。 ==强调容易混淆的两点：== ①SPI通信只有收发，无读写说法。 ②SPI为全双工，因此数据的接收和发送在MOSI与MISO两个数据线上是同时进行的。

A.传输流程

• ①主机将片选信号CS拉低，开始数据交换；

• ②主机发送SCLK时钟信号，告诉从机进行数据交换；

• ③主从机之间进行数据交互，每次以字节或者字为单位（8bit或者16bit）。后面会讲到为啥是这个单位。

    	1字 	= 	2字节		(1 word = 2 byte	)
    	1字节	=	8位		(1 byte = 8bit		)
  

1  ：主设备拉低使能信号CS，告诉从设备开始通信；
2-5：主从设备进行数据交互，图示一个字节为单位，每次发送1个bit；
6  ：主设备拉高使能信号CS，停止数据交互。

B.数据更新与采集

SPI工作时，除了需要确定时钟频率外，还需要确定时钟线空闲状态，以及数据更新与采集发生在时钟的上升沿还是下降沿。SPI共有四种模式，每种模式中数据更新与采集的时间不同，主从设备的工作模式必须一致，某些特定的设备固定了工作模式，主设备必须去和其保持一致。四种模式由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)决定。 CPOL：时钟极性, 表示 SPI 在空闲时, 时钟信号是高电平还是低电平。

当CPOL=0时，时钟信号在空闲时为低电平；
当CPOL=1时，时钟信号在空闲时为高电平。

CPHA：时钟相位, 表示 SPI 设备是在 SCK 管脚上的时钟信号变为上升沿时触发数据采样, 还是在时钟信号变为下降沿时触发数据采样。

当CPHA=0时，在串行同步时钟的第一个跳边沿（上升沿或下降沿）数据被采样；
当CPHA=1时，在串行同步时钟的第二个跳边沿（上升沿或下降沿）数据被采样。

这两种信号的变化，组合成了SPI的四种工作模式：

==再强调一点：== SPI里面经常提到的数据的更新与采样：“更新”是指数据从移位寄存器发送到MOSI与MISO通信线上，此时数据已经更新；“采样”是将MOSI与MISO上的数据读进SPI内部的移位寄存器。具体的移位寄存在下方 “C移位寄存” 详细介绍。

C.移位寄存

前面我们一直提到一个概念，SPI通信是“数据交换”，每此发送一个数据的同时就会读到一个数据。如下图所示，SPI内部有数据缓冲区和移位寄存器。如下图所示，Master 设备和 Slave 设备之间通过用 SDO 和 SDI 管脚产生一个数据链路回环。

“数据缓冲区”的物理本质是一个FIFO，以 FIFO 的形式保存传输过程中的临时数据，FIFO的位宽一般是8bit或者是16bit，因此主从设备之间的数据单位是8bit或16bit；主（Master）与从（Slave）之间交换的数据都是 SPI 内部移位寄存器SSPSR从 SSPBUF“数据缓冲区”里面拷贝的。 下面简单介绍下数据交换流程。

1），在发送数据之前，先将数据移入到数据缓冲区SSPBUF；（这部分不描述） 2），然后根据 Channel-Width 从数据缓冲区SSPBUF移出到移位寄存器SSPSR； （Channel-Width简单理解为主机与从机之间的数据位宽） 3），Master 设备和 Slave 设备之间通过 SDO 和 SDI 管脚的数据链路回环，一位一位的传输数据； 4），经过Channel-Width次的数据交互后，完成一个单位的数据交换； 5），移位寄存器SSPSR根据数据位宽Channel-Width，将数据移入 数据缓冲区SSPBUF ； 6），将数据缓冲区SSPBUF的数据读出。（这部分不描述） 下图为SPI数据交换的示意图，图片出处找不到了，暂不标注出处。

2.RS232简介

串口作为常用的三大低速总线（UART、SPI、IIC）之一，UART和SPI、IIC不同的是，它是异步通信接口，异步通信中的接收方并不知道数据什么时候会到达，所以双方收发端都要有各自的时钟，在数据传输过程中是不需要时钟的，发送方发送的时间间隔可以不均匀，接受 方是在数据的起始位和停止位的帮助下实现信息同步的。 ==此内容不是本片关键，后续单独讲解，此处只是引用，后续更新文章连接。== 关键词：异步通信，有起始位和停止位。

3.FLASH简介

Flash芯片，是一种非易失性储存芯片，掉电后数据不会丢失，在FPGA工程的设计中，Flash主要用作外接芯片来存储FPGA程序，使FPGA在上电后可以立 即执行我们想要执行的程序。SPI-Flash芯片就是支持SPI通讯协议的Flash芯片。 ==具体的FLASH信息，后续遇到什么更新什么，不去专门讲解==

未完------ FPGA部分见下节。