简   介：集成电路设计越来越向系统级的方向发展,并且越来越强调模块化的设计。SPI(Serial Peripheral Bus)总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口,容许CPU 与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息。本文简述了SPI总线的特点,介绍了其4条信号线,SPI串行总线接口的典型应用。重点描述了SPI串行总线接口在一款802.11b芯片中的位置,及该接口作为基带和射频的通讯接口所完成的功能,并给出了用硬件描述语言Verilog HDL 实现该接口的部分程序。该实现已经在Modelsim 中完成了仿真, 并经过了FPGA 验证, 最后给出了仿真和验证的结果。
在SOC设计中,利用EDA工具设计芯片实现系统功能已经成为支撑电子设计的通用平台.并逐步向支持系统级的设计方向发展。而且,在设计过程中,越来越强调模块化设计。
    SPI总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口,具有接口线少、通讯效率高等特点。本文给出的是利用Verilog HDL实现的SPI总线模块,该模块是802.11b无线局域网芯片中一个子模块,该模块完成了芯片中基带(base band)与RF的通讯工作.
1SPI总线接口概述
    SPI(Serial Parallel Bus)总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口,允许CPU 与各种外围接口器件(包括模/数转换器、数/模转换器、液晶显示驱动器等)以串行方式进行通信、交换信息。他使用4条线：串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出线(MISO)、主机输出/从机输入线(MOSI)、低电平有效的使能信号线(CS)。这样,仅需3～4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I/O器件其典型结构如图1所示。 
SPI总线具有以下特点：
(1)连线较少,简化电路设计。并行总线扩展方法通常需要8根数据线、8～16根地址线、2～3根控制线。而这种设计,仅需4根数据和控制线即可完成并行扩展所实现的功能。
(2)器件统一编址,并与系统地址无关,操作SPI独立性好。
(3)器件操作遵循统一的规范,使系统软硬件具有良好的通用性。
2SPI总线接口的设计与实现    该模块是802.1lb无线局域网芯片中的一子模块,其在芯片中的位置如图2所示。 其中base band(基带)为SPI的主控器(master),RF(射频)为SPI的受控器(slave)。SPIinterface作为baseband与RF的通讯接口,主要完成以下工作：
(1)将从baseband接收到的16位的并行数据,转换为RF所能接收的串行数据,并将该数据根据SPI协议送给RF。
(2)产生RF所需的时钟信号SCLK,使能信号CSB。
(3)接收从RF传回的串行数据,并将其转换为并行数据。
(4)将baseband发送的数据,与RF返回的数据进行比较,并把比较结果传给base band。下面给出用Verilog HDL语言实现前两项功能的关键程序,相关变量的声明在此略去。
//generate a counter
always@ (posedge clock or negedge reset)
begin
  if(!reset)
    counter<= 0;
  else if(enable)
  begin
    if(counter< 53)
    counter=counter + 1;
  end
end
//generate signal "csb"
always@ (posedge clock or negedge reset)
begin
  if(!reset)
    csb <=1;
  else if(counter>= 1 && counter <= 50)
    csb = 0;
  else
    csb = 1;
end
//Generate "sclk"
always@ (posedge clock or negedge reset)
begin
  case(counter)
    6'd02: sclk = 1;
    6'd05: sclk = 1;
    6'd08: sclk = 1;
    6'd11: sclk = 1;
    6'd14: sclk = 1;
    6'd17: sclk = 1;
    6'd20: sclk = 1;
    6'd23: sclk = 1;
    6'd26: sclk = 1;
    6'd29: sclk = 1;
    6'd32: sclk = 1;
    6'd35: sclk = 1;
    6'd38: sclk = 1;
    6'd41: sclk = 1;
    6'd44: sclk = 1;
    6'd47: sclk = 1;
    default sclk = 0;
endcase
end
always@ (counter or csb)
begin
  if(csb == 0)
  case(counter)
    6'h00,
    6'h01,
    6'h02,
    6'h03:mosi_index = 5'h00;
    6'h04,
    6'h05,
    6'h06:mosi_index = 5'h01;
    6'h07,
    6'h08,
    6'h09:mosi_index = 5'h02;
    6'h0A,
    6'h0B,
    6'h0C:mosi_index = 5'h03;
    6'h0D,
    6'h0E,
    6'h0F:mosi_index = 5'h04;
    6'h10,
    6'h11,
    6'h12:mosi_index = 5'h05;
    6'h13,
    6'h14,
    6'h15:mosi_index = 5'h06;
    6'h16,
    6'h17,
    6'h18:mosi_index = 5'h07;
    6'h19,
    6'h1A,
    6'h1B:mosi_index = 5'h08;
    6'h1C,
    6'h1D,
    6'hlE:mosi_index = 5'h09;
    6'h1F,
    6'h20,
    6'h21:mosi_index = 5'h0A ;
    6'h22,
    6'h23,
    6'h24:mosi_index = 5'h0B;
    6'h25,
    6'h26,
    6'h27:mosi_index = 5'h0C ;
    6'h28,
    6'h29,
    6'h2A:mosi_index = 5'h0D ;
    6'h2B,
    6'h2C,
    6'h2D:mosi_index = 5'h0E;
    6'h2E,
    6'h2F,
    6'h30:mosi_index = 5'h0F;
    default:mosi_index = 5'h00;
  endcase
  else
    mosi_index = 5'h00：
end
assign mosi=spi_data[mosi_index3];
(声明：以上程序已经过修改,只供借鉴,不可用作商业用途)用Verilog HDL实现的SPI总线接口模块,在ModelSim中编译、调试,并做了前仿真。前仿真通过后,又在Altera公司的EPXA10 Develop Board上做了FPGA验证,结果与在ModelSim中的仿真结果一致。最后在base band与RF的联合调试过程中,该SPI总线接口模块达到了预期的要求。
参考文献
[1] 任志斌,车长征.串行外设接口SPI的应用[J].电子技术应用,2002,29(10)：20-22.
[2] 易志明.SPI串行总线接口及其实现[j].自动化与仪器仪表,2002,(6)：45-48.
[3] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003.
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硬件总线接口系列--串行总线技术大比拼










名称


硬件连线数量


同步
Or
异步


有无
时钟
线


是否有起始位停止位


最大传输位速率bit/s


最大传输距离
m


是否支持多主


点对点or点对多


I2C


2
SCL
SDA


同步


有


有


100k
400k
3.4M


7，芯片级互连


多主 半双工


可多点
同种类型最多8个，总共40


SPI


4
MISO
MOSI
SCLK
SS


同步


有


无，靠CS片选


 


 


主从，半双工


点对多，取决于片选线数量


RS232


典型DB9
嵌入式3根
RXD
TXD
GND


异步


无


有


20k


15，板级


双主 全双工通信


点对点，2个


RS422


嵌入式5根
TX A/B
RX A/B
GND


异步


无


有


10M
1M


1200
100，板级


主从，半双工


点对多，10个


RS485


6根
TX/RX A/B
GND
ENABLE
两线制


异步


无


有


10M


1200，板级


多主，半双工


多对多，32个


RS485


嵌入式6根
TX A/B
RX A/B
GND
ENABLE
四线制


异步


无


有


10M


1200，板级


多主，全双工


点对多，32个


CAN


2根，H和L


异步


无


有


1M
50k


40
10K，板级


多主， 半双工


多对多，110


MDIO


2根，MDIO
MDC


同步


有


无


8.3M


芯片级


主从，单向


点对多，32

STM32F1XX学习—串行总线协议和SPI接口介绍

SPI、I2C、UART三种串行总线协议的区别
第一个区别当然是名字：

 SPI(Serial Peripheral Interface：**串行**外设接口);

 I2C(INTER IC BUS)

 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收发器)


第二，区别在电气信号线上：

 SPI总线由三条信号线组成：串行时钟(SCLK)、串行数据输出(SDO)、串行数据输入(SDI)。SPI总线可以实现 多个SPI设备互相连接。提供SPI串行时钟的SPI设备为SPI主机或主设备(Master)，其他设备为SPI从机或从设备(Slave)。主从设备间可以实现**全双工**通信，当有多个从设备时，还可以增加一条从设备选择线。

 如果用通用IO口模拟SPI总线，必须要有一个输出口(SDO)，一个输入口(SDI)，另一个口则视实现的设备类型而定，如果要实现主从设备，则需输入输出口，若只实现主设备，则需输出口即可，若只实现从设备，则只需输入口即可。

 I2C总线是双向、两线(SCL、SDA)、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。在它的协议体系中，传输数据时都会带上目的设备的设备地址，因此可以实现设备组网。

 如果用通用IO口模拟I2C总线，并实现双向传输，则需一个输入输出口(SDA)，另外还需一个输出口(SCL)。（注：I2C资料了解得比较少，这里的描述可能很不完备）

 UART总线是异步串口，因此一般比前两种同步串口的结构要复杂很多，一般由波特率产生器(产生的波特率等于传输波特率的16倍)、UART接收器、UART发送器组成，硬件上由两根线，一根用于发送，一根用于接收。

 显然，如果用通用IO口模拟UART总线，则需一个输入口，一个输出口。


第三，从第二点明显可以看出，SPI和UART可以实现全双工，但I2C不行； 

PS：串行与并行具体解释见(http://www.diangon.com/wenku/xianchangzongxian/201410/00013514.html)

SPI接口介绍 

SPI是由美国摩托罗拉公司推出的一种同步串行传输规范，常作为单片机外设芯片串行扩展接 口。SPI有4个引脚：SS(从器件选择线)、SDO(串行数据输出线)、SDI(串行数据输入线)和SCK(同步串行时钟线)。SPI可以用全双工通信 方式同时发送和接收8(16)位数据，过程如下：主机启动发送过程，送出时钟脉冲信号，主移位寄存器的数据通过SDO移入到从移位寄存器，同时从移位寄存 器中的数据通过SDI移人到主移位寄存器中。8(16)个时钟脉冲过后，时钟停顿，主移位寄存器中的8(16)位数据全部移人到从移位寄存器中，随即又被 自动装入从接收缓冲器中，从机接收缓冲器满标志位(BF)和中断标志位(SSPIF)置“1”。同理，从移位寄存器中的8位数据全部移入到主寄存器中，随 即又被自动装入到主接收缓冲器中．主接收缓冲器满标志位(BF)和中断标志位(SSPIF)置“1”。主CPU检测到主接收缓冲器的满标志位或者中断标志 位置1后，就可以读取接收缓冲器中的数据。同样，从CPU检测到从接收缓冲器满标志位或中断标志位置1后，就可以读取接收缓冲器中的数据，这样就完成了一 次相互通信过程。这里设置dsPIC30F6014为主控制器，ISD4002为从器件，通过SPI口完成通信控制的过程。
SPI总线协议 

SPI是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序其实很简单，主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。 

       假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。 

       那么第一个上升沿来的时候 数据将会是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将所存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在 8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。 

       例子： 

       假设主机和从机初始化就绪：并且主机的sbuff=0xaa，从机的sbuff=0x55，下面将分步对spi的8个时钟周期的数据情况演示一遍:假设上升沿发送数据 

脉冲  主机sbuff 从机sbuff sdi sdo 

0   10101010    01010101    0   0 

1上  0101010x    1010101x    0   1 

1下  01010100    10101011    0   1 

2上  1010100x    0101011x    1   0 

2下  10101001    01010110    1   0 

3上  0101001x    1010110x    0   1 

3下  01010010    10101101    0   1 

4上  1010010x    0101101x    1   0 

4下  10100101    01011010    1   0 

5上  0100101x    1011010x    0   1 

5下  01001010    10110101    0   1 

6上  1001010x    0110101x    1   0 

6下  10010101    01101010    1   0 

7上  0010101x    1101010x    0   1 

7下  00101010    11010101    0   1 

8上  0101010x    1010101x    1   0 

8下  01010101    10101010    1   0 

这 样就完成了两个寄存器8位的交换，上面的上表示上升沿、下表示下降沿，sdi、sdo相对于主机而言的。其中ss引脚作为主机的时候，从机可以把它拉底被 动选为从机，作为从机的是时候，可以作为片选脚用。根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据 主机的名准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来 

SPI 总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于 CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束 中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。图3示出SPI总线工作的四种方式，其中使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式(实线表示):

图2   SPI总线四种工作方式

SPI总线接口及时序 

   SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传 输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿 （上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI总线接口时序如图所示。

SPI功能模块的设计 

根据功能定义及SPI的工作原理，将整个IP Core分为8个子模块：uC接口模块、时钟分频模块、发送数据FIFO模块、接收数据FIFO模块、状态机模块、发送数据逻辑模块、接收数据逻辑模块以及中断形式模块。 

深入分析SPI的四种传输协议可以发现，根据一种协议，只要对串行同步时钟进行转换，就能得到其余的三种协议。为了简化设计规定，如果要连续传输多个数据，在两个数据传输之间插入一个串行时钟的空闲等待，这样状态机只需两种状态（空闲和工作）就能正确工作。

	

摘要  UART串行总线舵机需要配合UART串行总线舵机转接板使用，它的作用是将舵机的单线转换为双线TTL接口(Rx接收端，Tx发送端)，通过双线TTL串口接口与单片机进行通信。或者通过转接板上的USB转TTL芯片(CH340)，通过USB端口与PC进行通信。
转接板规格
UART串行总线舵机转接板(以下简称转接板)上有两个PH2.0的插槽，任选其中一个，通过UART串行总线舵机(以下简称舵机)连接线将舵机与转接板相连接，插槽有防反插设计，所以不用担心接反。
另外外接电源在给转接板供电的同时也给舵机进行供电，外接电源的电压范围取决于舵机的电压范围。 
转接板功能描述
功能1: USB转单线TTL 舵机两侧各有一个接口，通过连接线把多个舵机就可以串联在一条串行总线上。通过USB线将串口转接板与电脑连接。如果电脑是Windows系统，可以通过舵机调试软件测试舵机相关的功能。如果是其他操作系统，可以通过SDK测试舵机相关功能。示意图 实物图 以树莓派与2DOF舵机云台之间的连接为例功能2: TTL双线转单线如果是使用单片机(Arduino/STM32/C51/TI等)与舵机进行通信，需要将舵机转接板的TTL串口接口与单片机相连。示意图 以Arduino为例演示接线方法备注1. 舵机转接板的工作电压是5V，请不要将5v电压接到单片机的3.3V管脚上，防止单片机芯片烧毁。若单片机独立供电，则舵机转接板的5v管脚可以悬空。2. RX代表接收端， TX代表发送端。功能3: USB转TTL串口转接板也可以当成普通的USB转TTL串口模块来使用。常见问题转接板使用的USB转TTL串口芯片是CH340，需要在Windows上安装CH340的驱动。CH340驱动，请复制以下地址下载：http://www.wch.cn/download/CH341SER_EXE.html
驱动安装完成之后，检查驱动是否安装成功。
检查CH340驱动是否安装成功，可复制以下链接查看：
https://jingyan.baidu.com/article/00a07f3872a90982d028dcb9.html
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