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FPGA（主）与STM32（从）SPI通信

作者：空白诗007 | 2024-08-13 00:28:01

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FPGA（主）与STM32（从）SPI通信

一、概述

        主要实现了FPGA向STM32快速发送数据（比较稳定），至于STM32发送过来的数据，大概率还是处于丢位状态。但因为我主要是要完成一个FPGA这边持续向STM32的发送，所以我也没仔细去研究如何实现双方通信更稳定（同时本人能力也有限）。

        至于SPI的通信时序，有四种模式，我选择的是空闲状态为高电平，采集在上升沿的一种模式。具体的时序可以参考其他博客，我自己的理解（以我选择的这种模式）就是在sck为低电平的时候寄存数据，然后一直保持数据到下一次sck为低电平。获取数据的话在sck拉高的瞬间，也就是sck的上升沿获取数据。

        STM32端我使用的是SPI5加DMA的方式来进行数据的收发。

        下面贴出FPGA和STM32的代码

二、FPGA端代码

spi主模式

  1. module spi_master(
  2. 	input clk_1m,					//时钟信号 1m
  3. 	input rst_n,					//按键复位信号
  4. 	input ena_mo,					//模块使能
  5. 	input [7:0]spi_tdata,		//spi要发送的数据
  6. 	input spi_miso,				//spi 主进从出
  7. 	output reg spi_mosi,			//spi 从进主出
  8. 	output reg spi_sck,			//spi 时钟信号
  9. 	output reg spi_nss,			//spi 片选信号
  10. 	output reg [7:0]spi_rdata,	//spi接收到的数据
  11. 	output tr_done					//spi 完成一个字节发送
  12. );
  13.  
  14. localparam waiten=0;				//等待模块使能
  15. localparam tx_revl=1;			//sck低电平
  16. localparam tx_revh=2;			//sck高电平
  17. localparam done=3;				//完成一次发送
  18. localparam DELAY = 5;			//完成时等待5个时钟开始下一次发送
  19.  
  20. //reg define			
  21. reg [3:0] us_cnt;					//us计数器
  22. reg us_cnt_clr;					//计数器清零信号
  23. reg[1:0] state,next_state;		//当前状态和下一个状态
  24. reg[3:0] w_cnt;					//位计数器
  25.  
  26. //1微秒计数器
  27. always @ (posedge clk_1m,negedge rst_n) begin
  28.     if (!rst_n)
  29.         us_cnt <= 21'd0;
  30.     else if (us_cnt_clr)
  31.         us_cnt <= 21'd0;
  32.     else 
  33.         us_cnt <= us_cnt + 1'b1;
  34. end 
  36. //下一个状态确认
  37. always @(*) begin
  38. 	if(!rst_n)
  39. 		next_state = waiten;
  40. 	case(state)
  41. 		//模块使能且计数达到延时则进入下一个状态
  42. 		waiten: next_state = (ena_mo&&us_cnt==DELAY) ? tx_revl : waiten;
  43. 		tx_revl: next_state = tx_revh;
  44. 		tx_revh: next_state = (w_cnt == 4'd8) ? done : tx_revl;
  45. 		done: next_state = (ena_mo&&us_cnt==DELAY) ? tx_revl : waiten;
  46. 	endcase
  47. end
  48.  
  49. //状态的各变量赋值
  50. always @(posedge clk_1m,negedge rst_n)begin
  51. 	if(!rst_n)begin
  52. 		spi_sck <= 1'b1;												//sck空闲状态为高电平
  53. 		spi_mosi <= 1'b0;
  54. 		spi_rdata <= 8'd0;
  55. 		us_cnt_clr <= 1'b1;
  56. 		spi_nss <= 1'b1;
  57. 	end
  58. 	else begin
  59. 		case(state)
  60. 			waiten:begin
  61. 				spi_sck <= 1'b1;
  62. 				spi_mosi <= 1'b0;
  63. 				us_cnt_clr <= 1'b0;
  64. 				spi_nss <= us_cnt > 3'd3 ? 1'b0 : 1'b1;		//nss信号在等待时提前拉低 选中 做好发送准备
  65. 			end
  66. 			
  67. 			tx_revl:begin
  68. 				us_cnt_clr <= 1'b1;		
  69. 				spi_mosi <= spi_tdata[3'd7-w_cnt];				//sck低电平时寄存数据
  70. 				spi_sck <= 1'b0;										//sck拉低
  71. 			end
  72. 			
  73. 			tx_revh:begin
  74. 				spi_sck <= 1'b1;										//sck拉高 数据值保持不变
  75. 				spi_rdata[3'd7-(w_cnt-1'b1)] <= spi_miso;		//在上升沿捕获数据值
  76. 			end
  77. 			
  78. 			done:begin
  79. 				us_cnt_clr <= 1'b0;									//发送完成 时钟计数器关闭复位，延时等待一下
  80. 				spi_sck <= 1'b1;
  81. 				spi_mosi <= 1'b0;
  82. 				spi_nss <= us_cnt > 3'd3 ? 1'b0 : 1'b1;		//nss信号在等待时提前拉低 选中 做好发送准备
  83. 			end
  84. 			
  85. 		endcase
  86. 	end
  87. end
  89. //状态转换
  90. always @(posedge clk_1m,negedge rst_n)begin
  91. 	if(!rst_n)
  92. 		state <= waiten;
  93. 	else
  94. 		state <= next_state;
  95. end
  97. //位计数器赋值
  98. always @(posedge clk_1m,negedge rst_n)begin
  99. 	if(!rst_n)begin
  100. 		w_cnt <= 4'd0;
  101. 	end
  102. 	else begin
  103. 		case(state)
  104. 			tx_revl:w_cnt <= w_cnt + 1'b1;//sck低电平时位计数器加1，所以高电平时就会多一个值，需要减1
  105. 			waiten: w_cnt <= 4'd0;
  106. 			done: w_cnt <= 4'd0;
  107. 			default: w_cnt <= w_cnt;
  108. 		endcase
  109. 	end
  110. end
  112. //完成信号输出赋值
  113. assign tr_done = (state == done);
  115. endmodule

testbench仿真代码

  1.  
  2. `timescale 1ns/1ns //仿真单位为1ns，精度为1ns
  3.  
  4. module spi_master_tb();
  5. 	reg clk_1m;
  6. 	reg rst_n;
  7. 	reg ena_mo;
  8. 	reg [7:0] spi_tdata;
  9. 	reg spi_miso;
  10. 	wire spi_mosi;
  11. 	wire spi_sck;
  12. 	wire spi_nss;
  13. 	wire [7:0] spi_rdata;
  14. 	
  15. 	spi_master u_spi_master(
  16. 		.clk_1m(clk_1m),
  17. 		.rst_n(rst_n),
  18. 		.ena_mo(ena_mo),
  19. 		.spi_tdata(spi_tdata),
  20. 		.spi_miso(spi_miso),
  21. 		.spi_mosi(spi_mosi),
  22. 		.spi_sck(spi_sck),
  23. 		.spi_nss(spi_nss),
  24. 		.spi_rdata(spi_rdata)
  25. 	);
  26. 	
  27. 	initial begin
  28. 		#0	clk_1m = 0;
  29. 			rst_n = 0;
  30. 			ena_mo = 1;
  31. 			spi_tdata = 8'b11001010;
  32. 			spi_miso = 0;
  33. 			
  34. 		#20 rst_n = 1;
  35. 		
  36. 	end
  37. 	
  38. 	always #5 clk_1m = ~clk_1m;
  40. 	always #32 spi_miso = ~spi_miso;
  41. 	
  42. endmodule

仿真结果

 顶层模块

  1. module oscilloscope(
  2. 	input sys_clk,				//系统时钟 50m
  3. 	input rst_n,				//按键复位
  4. 	input spi_miso,			//spi 主进从出信号
  5. 	output spi_mosi,			//spi 主出从进信号
  6. 	output spi_sck,			//spi 时钟信号
  7. 	output spi_nss				//spi 片选信号（使用这个信号可以提高传输的稳定性）
  8. );
  9.  
  10. wire [7:0] spi_rdata;		//spi读取到的数据
  11. wire [7:0] spi_tdata;		//spi要发送的数据
  12. wire tr_done;					//一个字节发送完成信号
  13. wire clk_1m;					//1M 时钟信号
  14.  
  15. reg [7:0] tx_data;			//给要发送的数据赋值
  16.  
  17. assign spi_tdata = tx_data;//要发送的数据赋值
  18.  
  19. always @(posedge clk_1m,negedge rst_n)begin
  20. 	if(!rst_n)
  21. 		tx_data <= 8'd0;
  22. 	else begin
  23. 		tx_data <= tr_done ? tx_data + 1'b1 : tx_data;//每发送完成一个字节 数据的值增加1
  24. 	end
  25. end
  26.  
  27. //时钟分频模块 产生1MHz时钟
  28. clk_fenpin u_clk_fenpin(
  29. 	.sys_clk(sys_clk),
  30. 	.rst_n(rst_n),
  31. 	.clk_1m(clk_1m)
  32. );
  33.  
  34. //spi 主模式模块
  35. spi_master u_spi_master(
  36. 	.clk_1m(clk_1m),
  37. 	.rst_n(rst_n),
  38. 	.ena_mo(1'b1),
  39. 	.spi_tdata(tx_data),
  40. 	.spi_miso(spi_miso),
  41. 	.spi_mosi(spi_mosi),
  42. 	.spi_sck(spi_sck),
  43. 	.spi_nss(spi_nss),
  44. 	.spi_rdata(spi_rdata),
  45. 	.tr_done(tr_done)
  46. );
  48. endmodule

时钟分频模块

  1. module clk_fenpin(
  2. 	input sys_clk,
  3. 	input rst_n,
  4. 	output reg clk_1m
  5. );
  6.  
  7. 	reg    [25:0]   clk_cnt     ;        //分频计数器
  8. 	//得到1Mhz分频时钟
  9. 	always @ (posedge sys_clk or negedge rst_n) begin
  10. 		 if (!rst_n) begin
  11. 			  clk_cnt <= 5'd0;
  12. 			  clk_1m  <= 1'b0;
  13. 		 end 
  14. 		 else if (clk_cnt < 26'd24) 
  15. 			  clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;       
  16. 		 else begin
  17. 			  clk_cnt <= 5'd0;
  18. 			  clk_1m  <= ~ clk_1m;
  19. 		 end 
  20. 	end
  22. endmodule

三、STM32断配置

        32的配置主要是NSS信号不能再由软件来控制，不然接收的数据很不稳定，每一次复位都会看到不一样的值，可能是因为32端对起始信号的判断不是很对，所以导致总是，丢位。虽然也有概率正确接收，但是极其不稳定，所以将NSS信号交由硬件控制。FPGA作为主机，在每次将要发送前，先将NSS信号拉低，选中32，然后发送完成一个字节后又将NSS信号拉高，这样传输的数据会稳定很多。

spi配置

  1. u8 spi_revdata[spirv_max_len];    //接收数据数组
  2.  
  3. SPI_HandleTypeDef SPI5_Handler;   //SPI句柄
  4.  
  5. u8 tx = 15;                        //发送的数据
  6.  
  7. //以下是SPI模块的初始化代码，配置成主机模式 						  
  8. //SPI口初始化
  9. //这里针是对SPI5的初始化
  10. void SPI5_Init(void)
  11. {
  12.     SPI5_Handler.Instance=SPI5;                         //SP5
  13.     SPI5_Handler.Init.Mode=SPI_MODE_SLAVE;             	//设置SPI工作模式，设置为从模式
  14.     SPI5_Handler.Init.Direction=SPI_DIRECTION_2LINES;   //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线模式
  15.     SPI5_Handler.Init.DataSize=SPI_DATASIZE_8BIT;       //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
  16.     SPI5_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_HIGH;    //串行同步时钟的空闲状态为高电平
  17.     SPI5_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_2EDGE;         //串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样
  18.     SPI5_Handler.Init.NSS=SPI_NSS_HARD_INPUT;                 //NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理 选择硬件管理
  19.     SPI5_Handler.Init.BaudRatePrescaler=SPI_BAUDRATEPRESCALER_4;//定义波特率预分频的值:波特率预分频值为4
  20.     SPI5_Handler.Init.FirstBit=SPI_FIRSTBIT_MSB;        //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始:数据传输从MSB位开始
  21.     SPI5_Handler.Init.TIMode=SPI_TIMODE_DISABLE;        //关闭TI模式
  22.     SPI5_Handler.Init.CRCCalculation=SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;//关闭硬件CRC校验
  23.     SPI5_Handler.Init.CRCPolynomial=7;                  //CRC值计算的多项式
  24.     HAL_SPI_Init(&SPI5_Handler);//初始化
  25.     
  26.     __HAL_SPI_ENABLE(&SPI5_Handler);                    //使能SPI5
  27. 	
  28. 	DMA2_Init();                                        //DMA初始化
  29. 	
  30. 	
  31. 	                                                    //开启SPI的DMA传输 1024个字节
  32. 	HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&SPI5_Handler,&tx,spi_revdata,spirv_max_len);
  33. 	
  34.     //发送和接收如果同时使用的话最好使用上面那个函数，不然开启发送，再开接收可能导致没有开启成功
  35. //	HAL_SPI_Transmit_DMA(&SPI5_Handler,&tx,1024);
  36. //	HAL_SPI_Receive_DMA(&SPI5_Handler,spi_revdata,spirv_max_len);
  37. }
  38.  
  39. //SPI5底层驱动，时钟使能，引脚配置
  40. //此函数会被HAL_SPI_Init()调用
  41. //hspi:SPI句柄
  42. void HAL_SPI_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)
  43. {
  44.     GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
  45.     
  46.     __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();                   //使能GPIOF时钟
  47.     __HAL_RCC_SPI5_CLK_ENABLE();                    //使能SPI5时钟
  48.     
  49.     //PF6,7,8,9
  50.     GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
  51.     GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;              //复用推挽输出
  52.     GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;                  //上拉
  53.     GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FAST;             //快速            
  54.     GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF5_SPI5;           //复用为SPI5
  55.     HAL_GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_Initure);
  56. }

dma配置

  1.  
  2. DMA_HandleTypeDef DMA_SPI5TX_Handler;									//SPI5 发送DMA句柄
  3. DMA_HandleTypeDef DMA_SPI5RX_Handler;									//SPI5 接收DMA句柄
  4.  
  5. void DMA2_Init(void)
  6. {
  7. 	__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();                                        //使能DMA2的时钟
  8. 	
  9. 	DMA_SPI5RX_Handler.Instance = DMA2_Stream3;							//数据流选择
  10.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.Channel = DMA_CHANNEL_2;					//通道选择
  11.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;			//外设到存储器
  12.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;				//外设地址非增量模式
  13.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;					//存储器地址增量模式
  14.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;	//外设数据长度：8位
  15.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;		//存储器数据长度：8位
  16.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;						//DMA循环模式 一次开启 一直搬运
  17.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;				//高优先级
  18.     DMA_SPI5RX_Handler.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;			//不使用FIFO模式
  19. 	
  20. 	HAL_DMA_DeInit(&DMA_SPI5RX_Handler);								//清除配置
  21. 	HAL_DMA_Init(&DMA_SPI5RX_Handler);									//初始化配置
  22. 	
  23. 	__HAL_LINKDMA(&SPI5_Handler,hdmarx,DMA_SPI5RX_Handler);				//将SPI的发送和DMA联系起来
  24. 	
  25. 	
  26. 	DMA_SPI5TX_Handler.Instance = DMA2_Stream4;							//数据流选择
  27.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.Channel = DMA_CHANNEL_2;                    //通道选择
  28.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;           //存储器到外设
  29.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;               //外设地址非增量模式
  30.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.MemInc = DMA_MINC_DISABLE;                  //存储器地址非增量模式
  31.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;  //外设数据长度：8位
  32.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;     //存储器数据长度：8位
  33.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;                        //DMA循环模式 一次开启 一直搬运
  34.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;             //中等优先级
  35.     DMA_SPI5TX_Handler.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;            //不使用FIFO模式
  36. 	                                                                    
  37. 	HAL_DMA_DeInit(&DMA_SPI5TX_Handler);                                //清除配置
  38. 	HAL_DMA_Init(&DMA_SPI5TX_Handler);                                  //初始化配置
  39. 	                                                                    
  40. 	__HAL_LINKDMA(&SPI5_Handler,hdmatx,DMA_SPI5TX_Handler);             //将SPI的发送和DMA联系起来
  41. }

四、实现效果

        stm32接收到的数据，打印的是接收数组中的值（此时的发送频率应该在几十KHz左右，更高的没有测试过，但是改改时钟分频看看就好）

        FPGA收到的数据非常不稳定，很小概率会出现正确的值，就不贴图了

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