第３６卷第２期 唐山师范学院学报 ２０１４年３月 Ｖｏ１．３６Ｎｏ．２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＴａｎｇｓｈａｎ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｍａｒ ２０１４ 基子ＦＰＧＡ的ＳＰＩ接口Ｆｌａｓｈ控制器设计 及在存储配置数据中的应用 赵庆平，姜恩华 （淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北２３５０００） 摘要：介绍了ＳＰＩ工作原理，给出了一种基于ＦＰＧＡ的ＳＰＩ控制器的设计方法。利用ＦＰＧＡ丰富的逻辑 资源以及产生精确时序的能力，非常方便地对ＳＰＩｆｌａｓｈ进行读写、擦除等操作，从而能快速、准确地存储数据 阐述ＳＰＩ控制器的设计过程，使用Ｍｏｄｅｌｓｉｍ进行仿真验证，并用ＶＨＤＬ硬件描述语言进行编程，下载到ＦＰＧＡ 开发板上进行测试验证，对ＳＰＩ接口Ｆｌａｓｈ进行操作。证明了系统设计方法的正确性和可靠性。该方法对ＦＬＡＳＨ 存储控制系统的设计具有普遍适用性，可用于对ＦＰＧＡ配置进行保存。 关键词：ＳＰＩ控制器；ＦＰＧＡ；ＶＨＤＬ设计；Ｍｏｄｅｌｓｉｍ仿真 中图分类号：ＴＰ３３２－３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９．９１１５（２０１４）０２．００６９．０４ Ｄ０Ｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００９－９１ １５．２０１４．０２．０２０ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＳＰＩ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｆｌａｓｈ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ａｎｄ ｔｈｅ ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｔｏｒｉｎｇ Ｃ０ｎｆｉｇｕｒａｔｉ０ｎ Ｄａｔａ ＺＨＡＯ Ｑｉｎｇ－ｐｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｅｎ－ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍ￣ｉｏｎ，Ｈｕａｉｂｅｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕａｉｂｅｉ ２３５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ＳＰＩ（ｓｅｒｉａｌ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ａ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＳＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）．Ｗｅ ｃａｎ ｅｘｐｅｄｉｅｎｔｌｙ ｒｅａｄ—ｗｒｉｔｅ ａｎｄ ｗｉｐｅ ＳＰＩ ｌｆａｓｈ ｔｏ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ｒｉｃｈ ｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ ｍａｋｉｎｇ ｂｙ ＦＰＧＡ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＳＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｍｏｄｅｌｓｉｍ ａｎｄ ｕｓｅｓ ＶＨＤＬ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ ｐｒｏｇｒａｍ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｏｗｎｌｏａｄ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｔｏ ＦＰＧＡ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｂｏａｒｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｙ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｏｐｅｒａｔｅｓ ｔｈｅ ＳＰＩ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｌａｓｈ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ ｈａｓ ｇｅｎｅｒａｌ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＦＬＡＳＨ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓａｖｅ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＳＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ＦＰＧＡ；ＶＨＤＬ ｄｅｓｉｇｎ；Ｍｏｄｅｌｓｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔ Ａｒｒａｙ，现场可编程门 种高速度、全双工、同步串行通信接口，主要用于微处理 阵列）是在ＰＡＬ、ＧＡＬ、ＥＰＬＤ以及ＣＰＬＤ等可编程逻辑 器、微控制器和外围扩展芯片之间的连接【 。利用ＳＰＩ Ｆｌａｓｈ 器件的基础上发展出来的产物。由于ＦＰＧＡ芯片需要被反 大容量、读写速度快、成本低廉以及数据在断电后不丢失 复烧写，只能采用一种易于反复配置的结构。目前主流 的特点，可以将ＦＰＧＡ的配置数据存储于ＳＰＩ Ｆｌａｓｈ中Ｉ 。 ＦＰＧＡ都采用了基于ＳＲＡＭ工艺的查找表结构。由于ＦＰＧＡ 文中采用赛灵思公司的Ｖｉｒｔｅｘ．５和意法半导体公司的 采用ＳＲＡＭ工艺，芯片无非易失性，所依掉电后丢失其内 Ｍ２５Ｐ１６进行设计。对ＳＰＩ控制器进行仿真，符合ＳＰＩ时 部的逻辑配置【】】。 序要求。与ＰＣ机进行通信测试，写入和读出的数据吻合。 串行外设接口（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＳＰＩ）是一 将ＦＰＧＡ配置数据存储在Ｍ２５Ｐ１６中，实现了ＦＰＧＡ配置 基金项目：国家自然科学基金（４１２７５０２７），安徽高校省级自然科学研究项目（ ２０１３ｚ２２８），安徽高校省级自然科学研究 重大项目（ＫＪ２０ｌ２ＺＤ０６） 收稿日期：２０１３．１１．２ 作者简介：赵庆平（１９７２．），男，辽宁阜新人，硕士，讲师，研究方向为ＦＰＧＡ及嵌入式系统设计。 ．６９． 第３６卷第２期 数据的掉电不丢失。 １系统总体方案设计 唐山师范学院学报 ＣＳ ＳＣＫ ２０１４年３月 使用德致司出品的开发板Ｇｅｎｅｓｙｓ，该开发板使 Ｍａｓｔｅｒ ＭＩＳＯ ＭＯＳＩ Ｓｌａｖｅ 用的ＦＰＧＡ芯片是ｘｉｌｉｎｘ公司的￣ｒｔｅｘ．５，Ｖｉｒｔｅｘ－５系列采 用第二代高级芯片组合模块（ＡｓＭＢＬＴＭ）列式架构，采 用业界一流的６５ ｎｌｎ铜工艺技术，支持多达３３０ ｏｏｏ个逻 辑单元，６个时钟管理模块，多达１ ２００个用户接口，提 图３ ＳＰＩ接口 主机以及从机之间是通过４根信号线进行连接的，它 们分别是ＣＳ、ＳＣＫ、ＭＯＳＩ和ＭＩＳＯ。对它们的定义如下： ＣＳ 从机片选信号，由主机控制输出； 供从１．２ Ｖ到３．３ Ｖ的广泛的Ｉ／Ｏ标准范围，高达１６．４ Ｍｂ 的集成模块存储器，与Ｓｅｌｅｃｔ ＩＯ技术配合使用，简化源同 步接口Ｉ 。 Ｆｌａｓｈ芯片采用ＳＴ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司的Ｍ２５Ｐ１６ 该芯片是１６ Ｍｂｉｔ（２ Ｍｘ８）串行ｆｌａｓｈ存储器，兼容高速 ＳＰＩ接口。Ｍ２５Ｐ１６包含３２个扇区，每个扇区有２５６页， 每一页有２５６个字节。该芯片由２．７Ｖ一３．６Ｖ单电源供电， 最大５０ ＭＨｚ工作时钟，１００ ０００次的擦除和重写，可以保 持２０年时间［５ｊ 本系统的系统框图如图１所示。 图１系统总体方案设计 图１中，ＦＰＧＡ作为电路核心，连接上位机和ＳＰＩ Ｆｌａｓｈ 存储器。一方面接收来自上位机ＰＣ串口的数据，并将数 据存储到Ｆｌａｓｈ中。另一方面，从Ｆｌａｓｈ中读出数据并通过 串口发送到上位机。 在ＦＰＧＡ芯片中需要构建三个模块，分别是ＵＡＲＴ控 制器，ＦＩＦＯ模块以及ＳＰＩ控制器。如图２所示。 ＦＰＧＡ 图２ ＦＰＧＡ内部模块设计 上位机和ＦＰＧＡ之间是通过ＲＳ２３２进行通信的。ＲＳ２３２ 是ＰＣ机通信常用的接口，遵循异步传输标准。ＲＳ２３２采 用ＵＡＲＴ协议，需要在ＦＰＧＡ内构建ＵＡＲＴ模块，实现数 据在上位机和ＦＰＧＡ之间的传输。在ＦＰＧＡ中构建ＳＰＩ控 制器，为ｆｌａｓｈ提供时钟，并对其进行擦除和读写操作。 ＵＡＲＴ和ＳＰＩ模块的时钟不同，因此需要添加ＦＩＦＯ作为 两者之间数据缓冲。因为接收的串口数据被串并转换为８ ｂｉｔｓ，与之相连的ＦＩＦＯ（即先进先出队列）位宽定为８ｂｉｔｓ， 深度设为２５６个单元。 ２ ＳＰＩ接口工作原理 ＳＰＩ接口可以分为主机（Ｍａｓｔｅｒ）以及从机（Ｓｌａｖｅ） 两个部分，其结构框图如图３所示。 ．７０－ ＳＣＫ：同步时钟信号线，用来对主机和从机的数据传 输进行同步，由主机发出控制输出，从机则在ＳＣＫ的上升 沿和下降沿接收以及发送数据； ＭＯＳＩ：主机作为输出、从机作为输入信号，主机在下 降沿（或上升沿）由此信号线发数据给从机，而从机在上 升沿（或下降沿）由此信号线接收发来的数据； ＭＩＳＯ：主机输入、从机输出信号，从机在上升沿（或 下降沿）通过该信号线发送数据给主机，主机在下降沿（或 上升沿）通过该信号线接收该数据［６】。 其工作原理为：当无数据需要传输在主机和从机之间 时，主机通过控制ＳＣＫ输出低电平，ＣＳ则输出高电平， ＳＰＩ总线就会处于空闲的状态；如果有数据需要进行传输 时，主机通过控制ＣＳ输出为高电平，ＳＣＫ则输出时钟信 号，ＳＰＩ总线就会处在工作状态：在某个时钟边沿，从机 或主机并行发送数据，将数据各自传输到ＭＯＳＩ以及 ＭＩＳＯ上；而在下一个时钟沿，从机以及主机同时接收数 据，各自将ＭＩＳＯ以及ＭＯＳＩ上的数据接收并进行存储； 而当数据所有全部传输完成后，主机就会控制ＳＣＫ输出为 空闲的电平，ＣＳ则输出为无效的电平，而ＳＰＩ总线就会又 回到空闲的状态。到此，一个完整的ＳＰＩ数据总线传输过 程完成【７Ｊ口 ３ ＳＰＩ控制器 ＳＰＩ控制器的设计采用的是ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ硬件语言。 Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ是目前使用非常广泛的硬件描述语言之一。 Ｖｅｒｉｌｏｇ描述的器件在编译和综合时适应能力强，系统可以 自动优化。虽然对应语言的解读性能较弱。但是仿真以后 的纠错能力强［８Ｊ。 本文设计的ＳＰＩ控制器主要完成以下两个主要任务： 写ｆｌａｓｈ：将上位机发送来的２５６字节数据写入ｆｌａｓｈ 的某一页中： 读ｆｌａｓｈ：从ｆｌａｓｈ写有数据的一页中读出并传送到上 位机显示。 将ＦＰＧＡ配置数据存储在Ｆｌａｓｈ芯片内，重新上电， 读取Ｆｌａｓｈ中数据对ＦＰＧＡ重新配置。 写ｆｌａｓｈ操作首先要对ｆｌａｓｈ进行擦除操作，输入擦除 指令并等待３ ｓ，然后进行写操作。写操作要输入８位 第３６卷第２期 唐山师范学院学报 ２０１４年３月 Ｄｉｇｉ！ｅｎｔ公司的ＦＰＧＡ开发板Ｇｅｎｅｓｙｓ进行了验证。完成了 ［４】佟吉刚，张振新．基于ＦＰＧＡ的无线传感器网络节点设计 ［Ｊ】．传感技术学报，２００９，２２（３）：４１７－４２１． ［５］关珊珊，周洁敏．基于Ｘｉｌｉｎｘ ＦＰＧＡ的ＳＰＩ Ｆｌａｓｈ控制器的 设计与验证［Ｊ］．电子器件，２０１２，３５（２）：２１６－２２０． ＳＰＩ Ｆｌａｓｈ控制器的逻辑仿真，对ＳＰＩ Ｆｌａｓｈ的读写进行了 验证，并且利用此Ｆｌａｓｈ实现了对ＦＰＧＡ的重新上电的自 动配置功能。 ， 本设计在ＦＰＧＡ芯片上实现，具有较高的可移植性， 控制器经过简单修改就可以用于控制其它型号的ＳＰＩ ｌｆａｓｈ 芯片，因此具有广泛的适用性。 ［６】赵新雨，许忠仁，付贵增，朱文伟．基于ＦＰＧＡ与单片机的 ＳＰＩ接口的实现［Ｊ］＿工业仪表与自动化装置，２０１０（２）：３２－ ３３． ［参考文献】 ［１】李冬梅，王延杰，王长宇，等．基于ＦＰＧＡ的高速实时图像 采集和自适应阈值算法［Ｊ］．吉林大学学报（工学版），２０１０， ４０（２）：５３４－５３７． ［７］王松．基ＦＰＧＡ的串行外围接口ＳＰＩ设计与实现［Ｊ】．微 计算机信息，２０１０，２６（１１－２）：１１７．１１９． ［８】王军海．基于Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ的ＤＤＳ设计【Ｄ】．武汉：武汉理 工大学。２００７． ［９］孙航．Ｘｉｌｉｎｘ可编程逻辑器件的高级应用与设计技巧 ［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００４． ［１０］范静，陈文艺．基于Ｍｏｄｅｌｓｉｍ与Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ联合 仿真技术的接口与应用研究［Ｊ］．西安邮电学院报，２０１０， １５（３）：７２・７５． ［２ｊ罗莉，夏军＇邓宇．通用ｓＰＩ Ｆｌ础控制器韵设讳与验证【Ｊ】． 计算机工程，２０１ｉ，３７（８）：２２—２７． ［３】郑川．Ｓｔｅｐ ｂｙ ｓｔ印现场可编程门阵列设计入门与进阶 【Ｍ】，西安：西安电子科技大学出ｌ版社，２００８． （责任编辑、校对：田敬军） 接 箩２７页 地市在居住、家庭设备及服务所占总消费 比例上的变化有滞后效应。 （４）在医疗保健所占总消费上体现出的第一、二类城 的其他地市仍然处于比较低的消费水平。 ［参考文献】 ［１】张小勇，李培峦，常志勇．我国农村居民消费现状及影响 因素分析［Ｊ］．数学理论与应用，２００９，３０（２）：５３－５６． ［２】罗彦平．２００８年中国农村居民消费支出结构对应分析 ［Ｊ】．北京：经济研究导刊，２０１０（１９）：３２－３５． 市下降的原因是现在实行的农村医疗合作社，缩减了 农村居民在医疗方面的支出；第三类地市没体现出下降的 原因是，２００３年时比较低的医疗支出的低起点和现在农村 医疗合作社在第三类地区推广覆盖范围的约束。 （５）从各类别的八个生活消费指标占总消费的比例的 变化上看，２０１１年较２００３年有了明显的变化，但是在医 疗保健、文教服务、家庭设备及服务上一直比例较低，在 食品和居住上一直都占很高的比例，尤其是第二和第三类 上的食品比例，一直都大于０．４６，明显高于第一类的０，４１ 左右的水平，说明福建农村消费，尤其是厦门、泉州之外 ［３】朱建平．应用多元统计分析［Ｍ】．科学出版社，２００６：６２— １２８． ［４］马欣．各地区农村居民消费结构和水平的聚类分析［Ｊ］． 科教文汇（中旬刊），２００９（２）：２１１－２１１． ［５】段小红．中国农村居民消费结构的变动趋势及其国际比 较［Ｊ］．世界农业，２０１０（８）：２０－２５． （责任编辑、校对：赵光峰） ．．７２．．
