SPI总线概念 

        SPI ( Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）是一种同步、全双工、主从式，高速接口（UART是异步）。

        来自主机或 从机 的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。

 串行外设接口(SPI)应用：

        串行外设接口(SPI)是微控制器和外围IC（如传感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等）之间使用最广泛的接口之一。 

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。

SPI总线的系统构架

        SPI是一个环形总线结构，由SS（CS）、SCK、MOSI、MISO构成，主要是在SCK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。 

SPI信号：

• 时钟（（Serial Clock，SCK）SPI CLK，SCLK）：产生时钟信号的器件称为主机。
• 片选信号(外围设备片选信号线（Slave Selection，SS）CS): 从机使能信号，由主机控制。。来自主机的片选信号用于选择从机。（这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。）
• 主机输出、从机输入(（Master Out Slave In，MOSI）MOSI)：数据线，将数据从主机发送到从机。
• 主机输入、从机输出(（Master In Slave Out，MISO）MISO)：数据线，将数据从从机发送到主机。

主机和从机之间的关系:

• 主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。
• SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。

SPI数据传输 

         SPI数据的传输是在串行同步时钟信号（Serial Clock,SCK）的控制下进行的。

SPI怎么保证同步：

          主机的时钟发生器一方面控制主机的移位寄存器，另一方面通过从机的SCK信号线来控制从机的移位寄存器，从而保证主机与从机的数据交换是同步进行的。 

SPI开始通信

        主机发送时钟信号。

        主机通过使能片选信号CS（低电平有效）选择从机。

 SPI通信期间   

         SPI总线的主机和从机都有一个移位寄存器。

         当主机向自己的移位寄存器写入数据时，数据会通过MOSI信号线进入到从机的移位寄存器；

         同时，

        从机移位寄存器里的数据，通过MISO信号线进入到主机的移位寄存器。

        这样，主机和从机就完成了一次数据交换。

⚠注意：

         SPI是全双工接口，主机和从机可以分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。【数据的发送（串行移出到MOSI/SDO总线上）和接收（采样或读入总线(MISO/SDI)上的数据）同时进行。】

       串行时钟沿  同步  数据的移位和采样。

       SPI接口允许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。

四种SPI模式

时钟相位（CPHA）和时钟极性（CPOL）

        SPI串行同步时钟可以设置为不同的极性（Clock Polarity ，CPOL）与相位（Clock Phase ，CPHA）。

❤ 时钟的极性（CPOL）

    用来决定在总线空闲时，同步时钟（SCK）信号线上的电位是高电平还是低电平。

• 当时钟极性为0时（CPOL=0），SCK信号线在空闲时为低电平
• 当时钟极性为1时（CPOL=1），SCK信号线在空闲时为高电平

      🗡   空闲状态：

                传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间，

                传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。 

❤ 时钟的相位（CPHA）

     读取数据和发送数据的时钟沿（上升沿还是下降沿)。     

⭐ CPHA=1（在SCK信号线的第二个跳变沿进行采样 ）

•  当时钟极性为0时（CPOL=0），取下降沿
•  当时钟极性为1时（CPOL=1），取上升沿

⭐ CPHA=0（在SCK信号线的第一个跳变沿进行采样）

• 当时钟极性为0时（CPOL=0），取上升沿
• 当时钟极性为1时（CPOL=1），取下降沿

 四种SPI模式

        主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。

        根据CPOL和CPHA位的选择，有四种SPI模式可用。 

Mode0：CPOL= 0，CPHA = 0：（在SCK信号线的第一个跳变沿进行采样 ）

        CPOL =0 ：

                时钟在数据传输前和完成后都保持低电平（时钟空闲电平为低电平）

        CPHA =0：

                在第一个时钟沿（上升沿)采样数据，

                在第二个时钟沿（下降沿）输出数据。

MODE0的传输时序：

 Mode1：CPOL = 0，CPHA = 1：（在SCK信号线的第二个跳变沿进行采样 ）

         CPOL =0 ：

                时钟在数据传输前和完成后都保持低电平（时钟空闲电平为低电平）

        CPHA =1：

                在第二个时钟沿（上升沿)采样数据，

                在第一个时钟沿（下降沿）输出数据。

MODE1的传输时序：

 Mode2：CPOL= 1，CPHA = 0：（在SCK信号线的第一个跳变沿进行采样 ）

         CPOL =1：

                时钟在数据传输前和完成后都保持高电平（时钟空闲电平为高电平）

        CPHA =0：

                在第一个时钟沿（上升沿）采样数据，

                在第二个时钟沿（下降沿）输出数据。

MODE2的传输时序：

  Mode3：CPOL = 1，CPHA = 1：（在SCK信号线的第二个跳变沿进行采样 ）

         CPOL =1：

                时钟在数据传输前和完成后都保持高电平（时钟空闲电平为高电平）

        CPHA =1：

                在第二个时钟沿（上升沿)采样数据，

                在第一个时钟沿（下降沿）输出数据。

MODE3的传输时序：

SPI时序

设上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。 

※时钟极性和时钟相位两种选择： 

•  CPHA = 0，CPOL = 1 
•  CPHA = 1，CPOL = 0 

※根据片选信号CS选择从机 

※SPI时序 

主机和从机初始化就绪

        主机寄存器=0xaa=10101010

        从机寄存器=0x55 =01010101

第一个上升沿来的时候

         MOSI=1；主机寄存器=0101010x

         MISO=0；从机寄存器=1010101x

第一个下降沿到来的时候

        MOSI传递到从机寄存器中，从机寄存器=0101010MOSI=01010101

        MISO传递到主机寄存器中，主机寄存器=0101010MISO=01010100

8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。

        主机寄存器=01010101

        从机寄存器=10101010 

这样就完成里一个SPI时序。

根据以上分析，一个完整的传送周期是16位，即两个字节。

解释：

        主机先发送命令过去，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功能模块的设计

SPI的主、从设备内部均为一个8位的移位寄存器。

实际实现时，可以利用主机的Sclk信号作为移位时钟信号，按照高位在前，低位在后的顺序，依次将总线上的数据送入内部移位寄存器中，从而完成SPI的接收与发送。
 

design spec

1. SCLK采用10MHz
2．模块工作时钟100MHz
3．当接收到的串行数据做串并转换，将并行数据反馈给上一级模块

4、采用 CPOL = 0 ，CPHA = 1

        CPOL =0 ：

                时钟在数据传输前和完成后都保持低电平（时钟空闲电平为低电平）

        CPHA =1：

                在第一个时钟沿（上升沿)采样数据，

                在第二个时钟沿（下降沿）输出数据。

 SPI的SCLK信号的生成

模块时钟CLK，频率F=100MHz ， 时钟周期 =10ns

SCLK，            频率f=10MHz   ，  时钟周期 =100ns （10分频）

//模块时钟：clk      
//spi时钟：sclk
//复位信号：rst_n
//计数时钟个数的计数器：clk_cnt
//CPOL =0 （时钟在数据传输前和完成后都保持低电平（时钟空闲电平为低电平））
 
always@(posedge clk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
     clk_cnt<=0;
     sclk<=0;
  else 
     begin
     //(10分频/2-1)
       if(clk_cnt==4'd4)
          begin
            sclk<=~sclk;
            clk_cnt<=0;
          end
       else
         begin
          clk_cnt<=clk_cnt+1; 
         end
     end

master同时的采样和输出

//master发送数据
always@(negedge sclk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
    mosi<=1'b1;
  else if(spi_done)
    mosi<=1'b1;
  else(!sclk&&!cs)
    begin
     mosi<=master_buf[7];
    end
end
//master接收数据
always@(negedge sclk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
     master_buf[7:0]<=8'b0;
  else if(spi_done)
     master_buf[7:0]<=8'b0;
  else(!sclk&&!cs)
    begin
     master_buf[7:0]<={master_buf[6:0],miso};
    end
 end

slave同时的采样和输出

//slave发送数据
always@(negedge sclk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
    miso<=slave_buf[0];
  else if(spi_done)
    miso<=slave_buf[0];
  else(!sclk&&!cs)
    begin
     miso<=slave_buf[7];
    end
end
//slave接收数据
always@(negedge sclk or negedge rst_n)
 begin
  if(!rst_n)
     slave_buf[7:0]<=8'b0;
  else if(spi_done)
     slave_buf[7:0]<=8'b0;
  else(!sclk&&!cs)
    begin
     slave_buf[7:0]<={slave_buf[6:0],mosi};
    end
 end

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参考： 

SPI接口简介 - 模拟/电源 - -EETOP-创芯网

【新提醒】SPI总线协议 - 霡霂的日志 - EETOP 创芯网论坛 (原名：电子顶级开发网) -

怎样理解SPI总线时钟的极性(COL)与相位(CPHA)？ - 知乎 (zhihu.com)