|  **银杏科技有限公司旗下技术文档发布平台**  ||||
|技术支持电话|**0379-69926675-801**|||
|技术支持邮件|Gingko@vip.163.com|||
^  版本  ^  日期  ^  作者  ^  修改内容  ^
|  V1.0  |  2019-12-25  |  gingko |  初次建立  |


===== 实验十六：基于SPI总线的ARM+FPGA通信实验 =====

==== 一、实验目的与意义 ====
  - 了解SPI通信的基本原理。
  - 掌握SPI通信基于FPGA的实现方法。
  - 学习基于SPI总线的ARM+FPGA数据传输应用。
==== 二、实验设备及平台 ====
  - iCore3 双核心板（ FPGA型号为EP4CE10F17，ARM型号为STM32F407IGT6）。[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c.w4024-251734887.3.5923532fXD2RIN&id=524229438677&scene=taobao_shop|点击购买]]
  - Blaster（或相同功能的）仿真器和USB线缆。[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c.w4002-251734908.13.20822b61MmPeNN&id=554869837940|点击购买]]
  - Micro USB线缆。
  -QuartusII开发软件（本实验中使用的是13.1版本）。
==== 三、实验原理 ====
  * **SPI简介**
    * 串行外设接口（SPI）可与外部器件进行半双工/全双工的同步串行通信。通常SPI通过4个引脚与外部器件连接：
    * MISO：主输入/从输出数据。从模式下发送数据，主模式下接受数据。
    * MOSI：主输出/从输入数据。从模式下接受数据，主模式下发送数据。
    * SCLK：主器件的串行时钟输出和从器件的串行时钟输入
    * CS：从器件选择。挂载多个从器件时，此信号是“片选”信号。
  * 通过FPGA建立的SPI模块对外提供SCLK、CS、MOSI、MISO接口，与STM32的SPI相连接，Commix串口精灵与STM32通过串口连接，实现三者之间的通信。本实验中，Commix串口精灵向STM32发送数据，STM32的RXD端口接收数据，然后，通过SPI把数据发送至FPGA，STM32起到一个桥梁的作用。程序运行后，FPGA收到数据向STM32发送数据，经过STM32发送至Commix串口精灵显示出来，并辅以LED显示进行验证。
  * 本实验中SPI通信双方只有ARM和FPGA，因此信号按照单个主器件/单个从器件的方式连接，既MOSI引脚连接在一起，MISO引脚连接在一起。通过这种方式，主器件和从器件之间以串行方式传输数据（最高有效位在前）。下图为信号连接图：	
 
{{ :icore3:icore3_fpga_16_1.png?direct&700 |图1  信号连接图}}
 
==== 四、代码讲解 ====

  * SPI总线器件有主从之分，本实验中ARM作为主器件，FPGA作为从器件。所以在ARM和FPGA之间，SCLK信号和CS信号是由ARM发送给FPGA的。当ARM发送数据时，控制数据和SCLK同步输出，拉高CS信号。当ARM接收数据时，控制SCLK输出和CS电平为低，并接收数据。
  * FPGA作为从器件，要实现两个工程，即数据的接收和数据的发送。下面分两部分介绍。
=== 1.FPGA接收数据。 ===
  * 由ARM提供的数据和SCLK是同步的，那么FPGA接收数据的触发信号可以选用SCLK。阅读过STM32F407手册能够发现，它的SPI总线发送数据时，是先发送高位，再发送低位的。因此，FPGA接收到的数据也是先接收到高位数据，再接收到低位数据。这里可以采用位移操作，将数据依次存入寄存器的相应位。代码实现如下所示。
<code verilog>
    always@(posedge spi_clk or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		data_in<=40'd0;
	else if(!spi_cs)
		data_in<=40'd0;
		else
		data_in<={data_in[38:0],spi_mosi_r};//将SPI输入数据存入data_in寄存器
</code>
  * 为了验证SPI通信的正确性，可以通过点亮LED来具象化实验效果。iCore3板卡上FPGA连接有三色LED。那么，可以通过发送“ledr、ledg、ledb”指令，点亮LED相应色彩，进行程序正确性的验证。由于这些指令是ASCII码格式，而SPI传输的是二进制模式，所以FPGA进行接收指令判断时，对比的为指令的二进制值。为了判断数据是否接收完毕，代码中做了“回车”指令检测，既检测到“回车”指令的ASCII码之后，判断为数据接收完毕，然后将接收数据“回车”指令之前的数据和LED点亮指令做对比，从而控制三色LED的显示。代码实现如下：
<code verilog>
        always@(posedge spi_clk or negedge rst_n)
	    if(!rst_n)
		data<=32'd0;
	    else if(data_in[7:0] == 8'd13)//“回车”键对应的ASCII码的值为8‘d13
		data<=data_in>>8;//取回车键之前的值
	     else
		data<=data;
	//对比接收数据//
	reg [2:0]led;	
        always@(posedge CLK_25M or negedge rst_n)
		if(!rst_n)
		   led <= 3'b111;
		else if (data == ledr)
			led <= 3'b011;                  //红灯亮
		else if (data == ledg)
			led <= 3'b101;			//绿灯亮
		else if (data == ledb)
			led <= 3'b110;			//蓝灯亮
</code>
=== 2.FPGA发送数据。 ===
  * FPGA发送数据的时候，ARM是接收方，但是发送时钟还是由ARM提供，即CS信号为低时，FPGA按照SCLK的时序发送数据，实验中，FPGA发送至ARM的内容是字符串“hello”对应ASCII码的二进制数。按照SPI总线定义，先发送高位，再发送低位。代码如下：
<code verilog>
always@(negedge  spi_clk or negedge rst_n)
        if(!rst_n)
            begin 
                spi_miso<=1;
                data_out<=hello;
            end
        else    if(!spi_cs )
                begin
                    spi_miso <= data_out[39]; //将最高位通过SPI总线发送出去
                    data_out<=data_out<<1;
                end
            else
                begin
                    spi_miso<=1'b1;
                    data_out<=hello;
                end
</code>
==== 五、操作流程和测试结果 ====

=== 1.操作步骤 ===
  * 把仿真器与iCore3的SWD调试口连接（直接相连或者通过转换器相连）；
  * 将USB-Blaster与iCore3的JTAG调试口相连；
  * 将跳线帽插在USB UART;
  * 把iCore3（USB_UART）通过Micro USB线与计算机连接，为iCore3供电；
  * 打开Commix串口精灵，找到对应的端口打开；
  * 打开Quartus II开发环境，并打开实验工程； 
  * 烧写FPGA程序到iCore3上；
  * 打开Keil MDK开发环境，并打开实验工程； 
  * 烧写ARM程序到iCore3上；
  * 输入串口命令，观察实验现象。
=== 2.实验结果 ===
|串口发送命令格式	ARM_LED现象|	FPGA_LED现象|
|LEDR\CR\LF|	红灯亮|	红灯亮|
|LEDG\CR\LF|	绿灯亮|	绿灯亮|
|LEDB\CR\LF|	蓝灯亮|	蓝灯亮|
  * 在Commix上发送命令后，对应的ARM和FPGA的LED灯亮，同时接收显示：“hello”表示实验成功，如下面两图所示：
{{ :icore3:icore3_fpga_16_2.png?direct |图2  串口指令发送}}
{{ :icore3:icore3_fpga_16_3.png?direct |图3  实验效果展示}}