SPI的FPGA验证开题报告

1. 研究目的与意义

SPI（Serial Peripheral Interface）串行通信接口是一种常用的标准接口，是Motorola公司推出的一种同步串行通讯方式，它具有全双工、信号线少、协议简单、传输速度快等优点。由于串行总线的信号线比并行总线更少、更简单，越来越多的系统放弃使用并行总线而采用串行总线。在众多串行总线中，SPI总线与I2C总线、CAN总线、USB等其他常用总线相比有很大优势，如SPI总线的数据传输速度可达若干Mbps,比I2C总线快很多。SPI总线最典型的应用就是主机与外围设备（如EEPROM、Flash RAM、A/D 转换器、LED 显示器、实时时钟等）之间的通信。

SPI接口的扩展有硬件和软件两种方法, 软件模拟SPI接口方法虽然简单方便, 但是速度受到限制，在高速且日益复杂的数字系统中，这种方法显然无法满足系统要求，所以采用硬件的方法实现最为切实可行。当前，基于主从处理器结构的系统架构已经成为一种主流（如DSP FPGA，MCU FPGA等），FPGA是在ASIC的基础发展出来的，它克服了专用ASIC不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便，使得FPGA成为系统级设计的重要选择方案。

2. 课题关键问题和重难点

spi接口的扩展有硬件和软件两种方法，软件模拟spi接口方法虽然简单方便，但是速度受到限制，在高速且日益复杂的数字系统中，这种方法显然无法满足系统要求，所以采用硬件的方法实现最为切实可行。这使得与spi有关的软件就相当简单，使cpu有更多的时间处理其他事务。

spi接口是一种事实标准，并没有标准协议，大部分厂家都是参照motorla的spi接口定义来设计的，但正因为没有确切的版本协议，不同厂家产品的spi接口技术上存在一定的差别，容易引起歧义，有的甚至无法互联。

当前基于主从处理器结构的系统架构已经成为一种主流（如dsp fpga,mcu fpga等），fpga是在asic的基础上发展起来的，它克服了专用asic不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护也很方便。目前，fpga的容量已经跨过了百万门级，使得fpga成为解决系统级设计的重要选择方案之一。在这种架构下，应用fpga来构建spi通信接口是切实可行的。并fpga是可编程可重复擦写的，从而具有更大的灵活性，在协议不标准的情况下，可根据外围设备的不同而灵活的改动spi设计，使得设计周期大大降低，并与外围设备连接更加方便。

3. 国内外研究现状（文献综述）

串行接口已成为当前传输接口的发展趋势 ,原因在于串行的高速率传输性能和较简单的线路连接。在已知的外围器件连接端口中,有 usb, wishbone 和并行端口。其中spi 接口总线基于串行传输的思想,已经制定成为标准, 成为常用的外围器件连接方式。 针对flash 这种常用的外围存储器件 ,有多种接口可供选择 ,然而具有 spi 接口的 flash 芯片硬件连接方便,通过 fpga 编程可以便捷地实现 flash 的存取功能 。因此基于 fpga 的具有 spi 总线接口的 flash功能实现为工程设计提供了一种原型 ,为进一步的工程开发奠定了基础。

spi总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使mcu与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置flashram、网络控制、lcd显示驱动器、a/d转换器和mcu等。spi总线系统可以直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（sck）、主机输入/从机输入数据线most和低电平有效的从机选择线ss（有的spi接口芯片带有中断信号线int或int、有的spi接口芯片没有主机输入/从机输入数据线mosi）。

spi的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于spi的设备共有的，它们是sdi（数据输入），sck（时钟），cs（片选）。

4. 研究方案

1、熟悉spi通信协议接口相关方面的知识，学习并掌握spi通信接口的结构、协议以及原理。

2、熟悉verilog /vhdl语言及其开发环境ise。

3、基于fpga构建spi通讯系统，并通过编译综合。

5. 工作计划

第一周：查找相关spi文献资料，对其相关研究内容进行大体了解，完成英文文献翻译。

第二周：查找相关文献资料，并明确其原理和基本实现方案，完成开题报告。

第三周：了解verilog/vhdl语言的基本语法，完成verilog/vhdl的学习以及协议的理解。