2017畢業(yè)論文-基于fpga的spi串行外圍接口接口設計

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1、武漢理工大學本科學生畢業(yè)設計（論文）開題報告基于FPGA的SPI串行外圍接口接口設計1、目的和意義及發(fā)展現(xiàn)狀SPI是英文SerialPeripheralInterface的縮寫，中文意思是串行外圍設備接口，SPI是Motorola公司推出的一種同步串行通訊方式，是一種三線同步總線，它是一種常用的標準接口，由于其使用簡單方便且節(jié)省系統(tǒng)資源，很多芯片都支持該接口，SPI接口主要應用在EEPROM，F(xiàn)LASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間等等。當然，串口通信還有其他的接口方式，SPI接口和U

2、ART相比，多了一條同步時鐘線，上面UART的缺點也就是它的優(yōu)點了，對通信雙方的時序要求不嚴格不同設備之間可以很容易結合，而且通信速度非常快。一般用在產品內部元件之間的高速數(shù)據通信上面，如大容量存儲器等。這就凸現(xiàn)SPI的好處。SPI接口的擴展有硬件和軟件兩種方法,軟件模擬SPI接口方法雖然簡單方便,但是速度受到限制，在高速且日益復雜的數(shù)字系統(tǒng)中，這種方法顯然無法滿足系統(tǒng)要求，所以采用硬件的方法實現(xiàn)最為切實可行。這使得與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。當前，基于主從處理器結構的系統(tǒng)架構已經

3、成為一種主流（如DSP+FPGA,MCU+FPGA等），F(xiàn)PGA是在ASIC的基礎發(fā)展出來的，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點。與其他中小規(guī)模集成電路相比，其優(yōu)點主要在于它有很強的靈活性，即其內部的具體邏輯功能可以根據需要配置，對電路的修改和維護很方便。目前，F(xiàn)PGA的容量已經跨過了百萬門級，使得FPGA成為解決系統(tǒng)級設計的重要選擇方案之一。在這種架構下，應用FPGA來構建SPI通信接口是切實可行的。參考文獻：[1]孫豐軍，余春暄.SPI串行總線接口的Verilog實現(xiàn).北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院北京100

4、02.[2]劉福奇，劉波.VerilogHDL應用程序.電子工業(yè)出版社，2009.10[3]顧衛(wèi)剛.串行外圍接口.陜西：西安交通大學，2004.[4]徐洋等.基于VerilogHDL的FPGA設計與工程應用.人民郵電出版社.2009[5]K.Babulu,K.SoundaraRajan.FPGAIMPLEMENTATIONOFSPITRANSCEIVERMACROCELLINTERFACEWITHSPISPECIFICATIONS.JNTUColleageoffEngineering，2008.2、基本內容和技術方案

5、2.1、研究的基本內容（1）熟悉通信及通信接口相關方面的知識，學習并掌握SPI通信接口的結構，協(xié)議及原理。（2）熟悉VERILOG語言及其開發(fā)環(huán)境ISE，使用該語言進行數(shù)字電路（FPGA）設計，慢慢深入VERILOG語言。（3）設計流程圖，狀態(tài)圖，并一步步用Verilog語言實現(xiàn)仿真驗證I接口串口通信。（4）采用實驗板或自行設計電路進行調試，并采用相關儀器驗證。（5）系統(tǒng)整體調試、優(yōu)化，或就某一部分進行優(yōu)化并做深入的研究與擴展。2.2、技術方案（1）硬件設計模型硬件實現(xiàn)主要是基于PLD的CPLD，F(xiàn)PGA中實現(xiàn)。如F

6、PGA是在ASIC的基礎發(fā)展出來的，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點。與其他中小規(guī)模集成電路相比，其優(yōu)點主要在于它有很強的靈活性，即其內部的具體邏輯功能可以根據需要配置，對電路的修改和維護很方便。目前，F(xiàn)PGA的容量已經跨過了百萬門級，使得FPGA成為解決系統(tǒng)級設計的重要選擇方案之一。在這種架構下，應用FPGA來構建SPI通信接口是切實可行的。下圖模式一種主從模式：微處理器微處理器接口SPI總線接口adr_i[1:0]dat_i[7:0]dat_o[7:0]int_owe_ics_omiso_imosi_osck_

7、orst_iSPI接口作為主機與從機的通訊接口,主要完成以下工作：①SPI將從主機接收到的8位的并行數(shù)據,轉換為從機所能接收的串行數(shù)據,并將該數(shù)據根據SPI協(xié)議送給從機。②主機產生從機所需的時鐘信號SCLK,片選信號CS。③接收從從機傳回的讀信號和串行數(shù)據,并將其轉換為并行數(shù)據。（2）系統(tǒng)實現(xiàn)方案用FPGA實現(xiàn)SPI串行外圍接口是一個比較復雜的系統(tǒng)較大的系統(tǒng)沒有科學的設計方法就很難保證不出錯，并很難言簡意賅的清晰思路完成方案。此方案采用了狀態(tài)機來設計，本項目的研究主要采用理論分析、邏輯推理、試驗調試等方法。針對狀態(tài)機

8、，其主要有以下特點：1）有限狀態(tài)機克服了純硬件數(shù)字系統(tǒng)順序方式控制不靈活的缺點。2）狀態(tài)機的結構模式相對簡單。3）狀態(tài)機容易構成性能良好的同步時序邏輯模塊。4）狀態(tài)機的VerilogHDL表述豐富多樣。5）在高速運算和控制方面，狀態(tài)機更有其巨大的優(yōu)勢。6）就可靠性而言，狀態(tài)機的優(yōu)勢也是十分明顯的?；谝陨咸攸c，用狀態(tài)機的方法描述SPI通信過程簡