基于SPI高速分时复用/解复用的方法实现数据传输及其FPGA实现

李 淼 吴必旗 李娟娟 王兴波

南京熊猫汉达科技有限公司

0 引言

随着卫星通信系统规模扩大、复杂程度加深，两个或多个芯片的集成在逻辑设计中的应用也越来越多。在芯片之间，数据的互相传递是经常会遇到的问题。两个不同的芯片之间会存在硬件电路的开销有限，为了使数据能够成功、可靠传输，本文在设计FPGA接口时，选择了同步串行接口（Serial Peripheral Inter face，SPI）的高速分时复用/解复用的方式。

1 FPGA实现

与I2C、UART、HDLC等总线接口相比，SPI有全双工模式、电路结构简单、速度快、通信可靠等优点，在集成电路飞速发展的近几年应用非常广泛。利用SPI接口具有硬件开销小的特点，本文设计了一种基于SPI接口高速复用模块的方法，此外，采用XILINX公司的Kintex-7系列开发芯片，实现了电路的硬件验证。在应用于通信系统时，设计过程中很多变量（如：变量1，变量2，变量3等）都采用参数形式，在应用于具体的工程实践中，可以根据实际需要更改参数。FPGA的SPI高速分时复用/解复用实现流程如图1所示，由复用模块、解复用模块、保密机共3个功能模块组成。

图1 FPGA实现流程

复用模块和解复用模块的FPGA设计思路：（1）复用模块，主要功能是通过提速实现数据的分时复用。首先，在复用模块（即FPGA 1）中用主时钟分频的业务速率钟对4路（可变参数1）SPI总线数据，分别采用两个异步fifo进行32 bit（可变参数2）的乒乓缓存，使数据的速率提升至10 MB级别；其次，在每小包前加上8 bit（可变参数3）的接口协议，包括业务类型及包序号，进行4∶1复用。复用输出的1路SPI总线数据以快时钟下降沿输出。（2）解复用模块，主要功能是通过降速还原4路SPI数据。首先，在解复用模块（即FPGA 2）中将快时钟同步至主时钟，并用快时钟上升沿对SPI总线数据进行采样；其次，采用异步双口ram读写进行1∶4解复用，使数据的速率下降到原来的业务速率，从而保证了bit流不会断。解复用将模块FPGA 1中输出的1路SPI总线数据还原成4路SPI总线数据，并将其送入保密机进行加解密。

需要说明的是，快时钟的周期T是主时钟的整数倍，为了保证主时钟能够进行可靠的采样，本文推荐快时钟的周期至少大于6个主时钟周期。

2 实验结果与验证

利用该设计方法在XILINX FPGA器件上实现两个Kintex-7芯片之间的SPI总线数据传输，如图2所示，其中，图2（a）展示了一组利用复用方法实现SPI总线数据高速传输过程的仿真波形图，4路数据同一时刻发送，传输的数据为7 bit固定数“1110100”，方便观察。

（1）复用模块先用主时钟分频的时钟上升沿脉冲clken1、clken2、clken3、clken4分别对4路待发送数据din1、din2、din3、din4进行32 bit的循环计数，并做乒乓缓存，最终实现4∶1高速复用输出。图2中的cout、eout、dout为复用的输出SPI总线，前8 bit为接口协议。图2（b）展示了放大后的时序图，可观察到使能和数据与输出时钟下降沿对齐。

图2 FPGA实例利用复用实现数据传输过程仿真波形图

（2）复用模块中的关键技术难点在于异步fifo需要同时读数时优先级的选择，需要用状态机进行读请求的轮询，实现SPI接口的分时复用。仿真得到的波形如图3所示。仿真代码是通过三段式状态机来实现的，当前状态（current_state）包括4种循环状态：idle = 3'b000，wait = 3'b001，read1 = 3'b011，read2 = 3'b100，其中，idle为初始态，wait等待是对fifo的读请求进行轮询。首先，将8个fifo的读请求从低到高分别存入8位寄存器ok_reg中；其次，轮询方式为flag循环计数，计数器的计数范围为0～8，当ok_reg[flag]=1时，响应读请求，状态跳变至读取状态read1，加上8 bit接口协议，完成后跳变至fifo读取状态read2，对应fifo的读使能拉高，读至fifo为空，并在状态机外清空对应的ok_reg[flag]。上述状态完成后，再次进入初始态idle，开始第二次轮询。FPGA状态机实现过程仿真波形图如图3所示。

（3）进入解复用模块后，先将SPI接口总线同步到模块FPGA 2的主时钟中；然后，将cin上升沿采样输入的SPI数据，并用异步双口ram进行1∶4解复用，从1路SPI数据中还原出4路解复用后的数据SPI1、SPI2、SPI3和SPI4；最后，经下降沿对齐后送入保密机。

为了展示该方法的实用性，本文还对编写好的程序经JTAG端口下载到FPGA开发板上进行实验验证，并利用调制解调进行中频自环，CPU通过hdlc接口与FPGA接口进行数据交互，实验结果显示中频自环无丢包、无误码。

3 结束语

从仿真数据和实验结果可以看出，本文提出的SPI接口复用、解复用实现数据传输的方法不仅适用于芯片之间的传输，也适用于跨板子之间的数据传输，且延时小、操作简单。此外，本方法在无丢包、无误码的前提下还可以有效节省硬件线路的开销（如实例：在模块FPGA 1中节省了3路SPI总线数据），从而大大提高了数据传输效率，具有较强的可操作性和应用价值。