NIOS II spi详解

1、说明

本文是依据笔者阅读《Embedded Peripherals (ver 9.0, Mar 2009, 4 MB).pdf》参考文档所作的个人理解，可以看做是笔记吧。

本文只讲NIOS II嵌入式外设SPI的原理与使用，关于IP-CORE的使用，请读者参考《SPI Slave JTAG to Avalon Master.pdf》。

在下一篇文章中将用实例说明如何用SPI驱动ADS1256。

2、功能描述

Spi通讯包括两条数据线(进、出)、一条同步时钟线和一条控制线。

(1)Master Out Slave In (mosi)—主设备输入数据到从设备的数据线。

(2)Master In Slave Out (miso)—从设备输出数据到主设备的数据线。

(3)Serial Clock (sclk)—主设备驱动从设备的同步时钟。

(4)Slave Select (ss_n)—主设备驱动，用于选择从设备。置低时有效。最多可以设置32个从设备。

Sclk与Avalon—MM是同步的。当配置为主设备，spi-core将Avalon—MM的时钟分频得到sclk。若配置为从设备，接收逻辑是与sclk的输入同步的。

3、发送逻辑

发送逻辑包含发送保持寄存器(txdata)和发送移位寄存器，各有n位宽度，可配置1~32位。当某主外设写txdata，值会自动被复制到移位寄存器，并在下个操作开始时传输。

Txdata和移位寄存器提供两个存储空间。当有数据在移位寄存器传输时，可以往txdata中写入数据，并且在移位寄存器处理完当前数据时会自动加载txdata中数据，并发送。

在主设备模式传输移位寄存器直接驱动mosi，在从设备模式，传输移位寄存器直接驱动miso。

数据传输时，LSB或者MSB在前，由配置时用户指定。指定之后，不可软件更改。

4、接收逻辑

接收逻辑包含接收保持寄存器(rxdata)和接收移位寄存器，各有n位宽度，可配置1~16位。在接收移位寄存器捕获满n位数据后，主外设可以从rxdata中读取接收到的数据。

同发送逻辑类似，接收逻辑同样具有提供两个存储空间的功能。Rxdata可以保持前一个接收到的数据，同时接收移位寄存器亦在接收数据。当一个传输完毕时，接收逻辑自动将接收移位寄存器的数据更新至rxdata。

在主设备模数时，接收移位寄存器直接受miso驱动。在从设备模式 ，受mosi驱动。同样，数据传输时，LSB或者MSB在前，由配置时用户指定。指定之后，不可软件更改。

5、在SOPC中安装SPI-CORE

5.1 主从设置

用户可以选择主设备模式或者从设备模式。当选择主设备模式时，下面的选择是有效的：Number of select (SS_n) signals、SPI clock rate、 和 Specify delay.

(1)Number of Select (SS_n) Signals

设置从设备的个数。取值范围是1~32。该选择会在生成NIOS II时产生n个SS_n引脚，用于片选。

(2)SPI Clock (sclk) Rate

该时钟是有Avalon-MM分频产生，其数学关系是：

/ [2, 4, 6, 8, ...]

在SOPC设置时，可以输入所需要的时钟，软件会自动选择一个低于或者等于所输入时钟的最近符合值。

时钟的设置注意结合从设备的要求。

(3)Specify Delay

该延时是指片选信号有效(置低)之后，需要多长的时间才能对从设备发起操作。

5.2 数据寄存器设置

该设置影响数据寄存器的大小和行为特性。

(1)Width—设置txdata、rxdata、发送移位寄存器、接收移位寄存器的大小，可设置为1~32位。

(2)Shift direction—指定数据传输时LSB或者MSB在前。用户需了解从设备所需的模式。

5.3 时序设定

该设定涉及ss_n,sclk,mosi 和 miso 信号的设置。共有两处设定，可设定4种模式。

(1)Clock polarity—设置为0时，sclk空闲时为低；设置为1时，sclk空闲时为高。

(2)Clock phase—设置为0时，数据在sclk的上升沿锁存；设置为1时，数据在sclk的下降沿锁存。

具体见如下时序图：

1.Clock Polarity = 0, Clock Phase = 0

2.Clock Polarity = 0, Clock Phase = 1

3.Clock Polarity = 1, Clock Phase = 0

4.Clock Polarity = 1, Clock Phase = 1

6、NIOS II软件驱动模块

有两种方式：

1.使用有Altera提供的alt_avalon_spi_command()函数，使用非常简单。具体可见笔者下一篇驱动实例。

2.读者自己编写。

这里先将读者自己DIY的驱动编写方法。

6.1 驱动方式一

必须包含：

#include "altera_avalon_spi.h"

#include "altera_avalon_pio_regs.h"

这两个头文件。

文件中包含有寄存器地址与API函数。

IOWR_ALTERA_AVALON_SPI_SLAVE_SEL();//从设备选择

IOWR_ALTERA_AVALON_SPI_CONTROL(base, data); //控制寄存器

IORD_ALTERA_AVALON_SPI_RXDATA(base);//读接收寄存器

IOWR_ALTERA_AVALON_SPI_TXDATA(base, data);//写发送寄存器

IORD_ALTERA_AVALON_SPI_STATUS(base);//读状态寄存器

为了准确实现方式，首先列出SPI寄存器映射图

(1)若rxdata和txdata少于16位，则[31:16]位无效；

(2)写status会清除ROE、TOE和E位；

(3)ss0只在作为主设备时有效；用来启动发送或者接受数据。例如：

//Force SS_n active:na_spi_0->np_spicontrol|=np_spicontrol_sso_mask;for(i=0; i<3;++i)

{//Transmit a byte:while(!(na_spi_0->np_spistatus&np_spistatus_trdy_mask));

na_spi_0->np_spitxdata=data[i];//Read and throw away the received data:while(!(na_spi_0->np_spistatus&np_spistatus_rrdy_mask));

na_spi_0->np_spirxdata;

}//Wait until the last byte is transmitted:while(!(na_spi_0->np_spistatus&np_spistatus_tmt_mask));//Release SS_n:na_spi_0->np_spicontrol&=~np_spicontrol_sso_mask;

(4)rxdata：

(a)当接收寄存器接收到所设置的n位且将数据移入rxdata后，status中的RRDY设为1；软件可设查询此位来判断是否有新数据接收。如：

while(IORD_ALTERA_AVALON_SPI_STATUS(base) & ALTERA_AVALON_SPI_STATUS_RRDY_MSK == 1);

(b)读rxdata会自动清除RRDY位；

(c)新数据总是不断读入rxdata，若RRDY=1; rxdata的数据未读出时，有新的数据传入rxdata，则ROE=1;此时，rxdata存储的数据未定义。

(5)txdata：

(a)当TRDY=1时，表示发送寄存器准备好接受下一个发送数据。如：

while(IORD_ALTERA_AVALON_SPI_STATUS(base) & ALTERA_AVALON_SPI_STATUS_TRDY_MSK == 1);

(b)写入rxdata使TRDY=0;

(c)当txdata中的数据传入发送寄存器时，TRDY=1;

(d)若TRDY=0时写入数据至txdata会导致TOE=1;此时新数据被忽略。

6.2驱动方式二

该方式使用官方的函数：(下篇文章使用的是该方式。)

int alt_avalon_spi_command(alt_u32 base, alt_u32 slave,

alt_u32 write_length,

const alt_u8* wdata,

alt_u32 read_length,

alt_u8* read_data,

alt_u32 flags)

该函数不支持8位或者8位以上的传输。但是，可以调用多次实现高于8位的传输。该函数源码位于“/altera/81/ip/altera/sopc_builder_ip/altera_avalon_spi/HAL/src”。

alt_u32 base, alt_u32 slave,//选择从设备

alt_u32 write_length, //设置写入长度。8位为一个长度。

const alt_u8* wdata,//将要写入数据的数组地址。该函数自动将数组中的数据依次发出直到发出所设定的write_length长度。

alt_u32 read_length,//设置读出长度。8位为一个长度

alt_u8* read_data,//将读出的数据存储到数组中，直到存满所设定的read_length长度

alt_u32 flags，//如果flag=ALT_AVALON_SPI_COMMAND_MERGE，则访问完从设备之后不会释放从设备，一般用于需多次访问的情况。如果flag=0，则每次访问完从设备都会释放从设备，即当读取read_length个字节数，或者写完write_length个字节数，会释放从设备。

7、总结

笔者测试使用环境均为8.1版本。

使用器件为CYCLONE II EP2C8Q208C8N