啥? 一行代码不敲就构建三线制SPI驱动?
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[导读] 最近使用ZYNQ做一个高速数据采集,需要访问一个ADI的高速模数采样芯片,该芯片是利用三线制实现读以及写的功能。三线制实现写通信或许大家都经常会这样用,三线制实现读/写或许有的朋友就未曾这样用过。今天就分享一下利用现成IP不写任何代码怎么实现三线制SPI。
背景
ADI很多芯片都采用三线制SPI进行控制,以AD9467为例,AD9467是一款 pipeline架构16位高速ADC芯片,采样率高达250MSPS。在一些复杂系统中其应用领域比较广泛:
多载波,多模式蜂窝接收机
天线阵列定位
功率放大器线性化
无线宽带通信系统
雷达系统
红外成像系统
通讯仪表系统等
从芯片框图,大致可以看出,该芯片主要由以下部分组成:
三线制SPI通信接口,实现芯片的寄存器读写控制。主要用于芯片模式配置。
LVDS接口:则负责数据的对外传输,遵循ANSI-644 标准。
CLK+/CLK-:为输入时钟,时钟之于数字芯片相当于心脏之于人,一切的动作都是由时钟驱动的。
VIN+/VIN- :差分输入,模拟信号输入通道。
对于芯片的其他部分,不是本文介绍的重点,这里来看看其SPI的通信时序图:
结合SPI模式时序图:
在上升沿采样
下一位数据在CLK低期间变换
故,CPOL=0,CPHA=0.
另外,第一个bit用于标识本次报文你发起的是读还是写操作,这种设计是不是有点类似I2C标准中的读写位?
柳暗花明
那么问题来了,我们需要做的SPI通信需要实现三线制SPI进行读以及写:
如果用单片机编程IO口去翻比较容易,但是要实现高速AD数据传输,常规的单片机就捉襟见肘了。LVDS接口的数据吞吐率很难做到。
如果使用ZYNQ内置的SPI外设也很容易,该外设很容易配成三线制模式。很不幸,外设引脚基本用掉了。不过可以考虑用EMIO把相应的脚从PL端拉出去。
如果利用ZYNQ PS端的GPIO也可以做到,也很不幸,做的板子PS端GPIO所剩无几。
利用赛灵思的AXI Quad SPI IP在PL端去实现。折腾一段时间,发现这个IP貌似不支持三线制SPI。
自己用verilog HDL写个IP挂在AXI总线上,实现Linux设备驱动,这个方案可以。可惜,比较懒,不想重新造轮子!
.......
经过一番折腾,在ADI官方发现了一个宝藏:
https://wiki.analog.com/resources/fpga/peripherals/spi_engine
官方实现了SPI engine IP 框架:
执行模块 Execution Module:主模块,用于处理SPI引擎命令流并实现SPI总线接口逻辑
AXI接口模块:内存映射软件可访问SPI引擎命令流和/或卸载核心的接口
Offload模块:存储SPI引擎命令流,由外部事件触发执行
互连Interconnect 模块:将多个SPI Engine命令流连接到SPI Engine执行模块
其verilog HDL代码库位于:
https://github.com/analogdevicesinc/hdl.git
PS/PL设计
下好hdl库,按照向导将库make,执行对应的tcl脚本,生成了hdl库相应所需文件。然后按照需要设计以下block设计:
将PS端的DDR以及PL所需的时钟FCLK_CLK0配置好,这里输出100MHz
从ip库里拉出来axi_spi_engine_v1_0以及spi_engine_execution_v1_0,按照上面图连好线
连好AXI接口,以及相应的复位、时钟信号等
设置需要几个片选信号,可根据需要几个从芯片可以设置多个片选信号,比如我设置2个,这样在linux设备树上就对应挂载两个设备。
然后在顶层设计文件进行例化,这里问题来了,spi_1还是4个脚,如果就这样拉出到PL端的引脚上,还是四线制,那么该怎么改呢?
看看wiki中图以及描述,发现需要还需要在转一下:
如果是三线模式时,three_wire会变成1,这个通过AXI总线命令传过来。
sdo_t则可以控制sdo内部信号是否输出,如果门控关断则mosi脚变成高阻,可以采样外部信号,从而传入可以通过2路选择器传入sdi转而为读信号。
从而添加如下代码在顶层文件:
assign phy_sclk = spi_sclk;
assign phy_cs = spi_cs;
assign phy_mosi = spi_sdo_t ? 1'bz : spi_sdo;
assign spi_sdi = spi_three_wire ? phy_mosi : phy_miso;
比如,我是这样写的:
`timescale 1ns / 100ps
//顶层设计文件
module system_top (
//DDR信号
inout [14:0] ddr_addr,
inout [ 2:0] ddr_ba,
inout ddr_cas_n,
inout ddr_ck_n,
inout ddr_ck_p,
inout ddr_cke,
inout ddr_cs_n,
inout [ 3:0] ddr_dm,
inout [31:0] ddr_dq,
inout [ 3:0] ddr_dqs_n,
inout [ 3:0] ddr_dqs_p,
inout ddr_odt,
inout ddr_ras_n,
inout ddr_reset_n,
inout ddr_we_n,
//必须的一些PS信号
inout fixed_io_ddr_vrn,
inout fixed_io_ddr_vrp,
//54个PS MIO引脚
inout [53:0] fixed_io_mio,
//PS时钟引脚
inout fixed_io_ps_clk,
//PS上电复位信号
inout fixed_io_ps_porb,
//PS SRSTB信号
inout fixed_io_ps_srstb,
output [1:0] spi_0_cs,
output spi_0_sclk,
input spi_0_sdi,
output spi_0_sdo,
);wire ip_spi_0_cs;
wire ip_spi_0_sclk;
wire ip_spi_0_sdi;
wire ip_spi_0_sdo;
wire ip_spi_0_three_wire;
wire ip_spi_0_sdo_t;assign spi_0_cs = ip_spi_0_cs;
assign spi_0_sclk = ip_spi_0_sclk;
//如此处理,这样引出的SPI可以兼容3线制以及4线制SPI
assign spi_0_sdo = ip_spi_0_sdo_t ? 1'bz : ip_spi_0_sdo;
assign ip_spi_0_sdi = ip_spi_0_three_wire ? spi_0_sdo : spi_0_sdi;//例化block设计
ip_block_wrapper i_system_wrapper (//DDR以及常规MIO、时钟、复位等信号.DDR_addr(ddr_addr),.DDR_ba(ddr_ba),.DDR_cas_n(ddr_cas_n),.DDR_ck_n(ddr_ck_n),.DDR_ck_p(ddr_ck_p),.DDR_cke(ddr_cke),.DDR_cs_n(ddr_cs_n),.DDR_dm(ddr_dm),.DDR_dq(ddr_dq),.DDR_dqs_n(ddr_dqs_n),.DDR_dqs_p(ddr_dqs_p),.DDR_odt(ddr_odt),.DDR_ras_n(ddr_ras_n),.DDR_reset_n(ddr_reset_n),.DDR_we_n(ddr_we_n),.FIXED_IO_ddr_vrn(fixed_io_ddr_vrn),.FIXED_IO_ddr_vrp(fixed_io_ddr_vrp),.FIXED_IO_mio(fixed_io_mio),.FIXED_IO_ps_clk(fixed_io_ps_clk),.FIXED_IO_ps_porb(fixed_io_ps_porb),.FIXED_IO_ps_srstb(fixed_io_ps_srstb), //连至顶层.spi_0_cs(ip_spi_0_cs),.spi_0_sclk(ip_spi_0_sclk),.spi_0_sdi(ip_spi_0_sdi),.spi_0_sdo(ip_spi_0_sdo),.spi_0_sdo_t(ip_spi_0_sdo_t),.spi_0_three_wire(ip_spi_0_three_wire) );
endmodule
Linux端配置
首先需要配置设备树:
&axi_spi_engine_0 {status = "okay";//配置SPI控制器匹配字段,这样会自动编译ADI 提供的SPI 控制器驱动compatible = "adi,axi-spi-engine-1.00.a";spi-rx-bus-width = <1>;spi-tx-bus-width = <1>; bits-per-word = <8>;interrupt-parent = <&intc>;interrupts = <0 30 4>; num-cs = <4>;#address-cells = <0x1>;#size-cells = <0x0>; ad9467_0: ad9467@0 {compatible = "adi,ad9467";reg = <0>;spi-max-frequency = <500000>;#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;spi-rx-bus-width = <1>; spi-tx-bus-width = <1>;bits-per-word = <8>;spi-3wire; };ad9467_1: ad9467@1 {compatible = "spidev";reg = <1>;spi-max-frequency = <500000>;#address-cells = <1>;#size-cells = <1>; spi-rx-bus-width = <1>; spi-tx-bus-width = <1>;bits-per-word = <8>;//这个字段需要使能,表示该设备是三线制spi-3wire; };
};
基于ADI提高的Linux代码库:
https://github.com/analogdevicesinc/Linux
配置相应的SPI控制器驱动,然后编译部署。由于该demo涉及些项目其他的技术细节,这里就不描述了,来看看疗效:
看这个波形或许会有朋友问:为啥数据发送结束,SDO/SDI复用脚波形有一个上升的渐变暂态过程,这是由于此时从端芯片从输出态转为高阻态,而主端芯片此时也是高阻态,由于线路电容效应故而会有这样一个变化过程。
总结一下
利用ADI提高的IP库,不用敲一行代码可以很容易就实现了三线制SPI,香吧?该方案可以同时兼容三线制/四线制SPI,是一个成熟稳定的方案。为什么ZYNQ芯片这样一款SOC芯片以及Linux会被人喜欢,由此可见一斑。因为有大量成熟的轮子可供使用,而不必自己去造轮子。从而加速产品的研发进度,使用户可以专注于自己需要解决的应用问题。这里有一个tips拿走不谢:
在做应用开发时,首先梳理出需求,要干什么?去往哪里?但别急着撸代码,先搜搜看看有没有现成的轮子,拒绝重新造轮子!一定会加速开发进程。但也需要注意一下开源资源是否可以免费商用,注意知识产权IP问题!~
—END—
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