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|  V1.0  |  2020-07-07  |  gingko  |  初次建立  | 
===== 例程二十一：【MicroPython】RAM-FPGA SPI通信 =====

==== 一、实验目的与意义 ====


了解SPI通信的基本原理；掌握RAM与FPGA的SPI通信方法；掌握Quartus II集成环境使用方法。
==== 二、实验设备及平台 ====

  - iCore3双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?id=524229438677|点击购买]]
  - Micro USB线
  - Blaster（或相同功能）仿真器
  - Quartus II开发平台
  - 串口调试器
  - 电脑
==== 三、实验原理 ====

通过FPGA建立的SPI模块对外提供SCLK、CS、MOSI、MISO接口，与STM32模拟的SPI接口相连接，串口调试器与STM32通过串口连接，实现三者之间的通信。本实验中，以STM32作为主机，FPGA作为从机，串口调试器向STM32发送数据，STM32的串口4接收数据，然后通过SPI将数据发送至FPGA，STM32起到一个桥梁的作用。程序运行后，FPGA收到数据后向STM32发送数据，经过STM32发送至串口调试器。原理示意图如下所示：
{{ :icore3:icore3_micropython_21_1.png?direct |实验通讯示意图}}

排针引脚连接对照表：
|SPI信号线|ARM引脚|FPGA引脚|
|时钟信号（SCLK）	|PD9|F7|
|片选信号（CS）	|PD8|D8|
|主入从出信号（MISO）|PD11|C6|
|主出从入信号（MOSI）|PD10|E7|

注意：iCore3核心板已经将以上四组引脚相连。
==== 四、实验步骤 ====

  - 用数据线将iCore3的USB-OTG口与电脑相连，将供电跳帽选择为OTG供电；
  - 将代码包中的custom_spi.py、main.py文件替换到PYBFLASH磁盘中，弹出磁盘(必须！)，拔下数据线将iCore3断电；
  - 将USB-Blaster与iCore3的JTAG调试口相连；
  - 将跳线帽选为USB UART，并将数据线连接到USB UART；
  - 将数据线连接到电脑，iCore3上电Python代码运行；
  - 打开QuartusII开发环境，打开实验工程，编译工程，下载FPGA代码；
  - 打开串口调试器，连接到对应串口并打开，发送命令，观察实验现象；
  - 命令格式如下：

|命令字符串|RAM-LED|FPGA-LED|
|ledr	|红灯亮|红灯亮|
|ledg	|绿灯亮|绿灯亮|
|ledb	|蓝灯亮|蓝灯亮|

==== 五、实验现象 ====

在发送区编辑完要发送的数据后，点击发送即可观察到RAM-LED、FPGA-LED变化，并在接收区收到iCore3的回复信息，如下图所示：
{{ :icore3:icore3_micropython_21_2.png?direct |串口调试器界面}}


==== 六、实验程序 ====
<code python>
# -*- coding: utf-8-*-
# main.py -- put your code here!
from pyb import udelay, LED, UART  # 导入相关模块
from custom_spi import SPI  # 从定制spi模块中导入SPI对象


# 主函数
# 定义串口4对象，波特率9600
U4 = UART(4,9600)

# 定义SPI对象，定义cs:D8, clk:D9, mosi:D10, miso:D11 (iCore3硬件连接)
fpga_spi = SPI('D8','D9','D10','D11')

while True:
    re = U4.readline()           # 缓冲区读取一行内容
    if re != None:               # 若内容不为空
        udelay(5000)             # 延时5ms，等内容接受完整，视内容长短而定，若时间过短则会通信失败
        re = re + U4.readline()  # 将内容合并

        if re == b'ledr':        # 控制命令匹配
            LED(1).on()          # 红灯亮
            LED(2).off()
            LED(3).off()
        elif re == b'ledg':      # 绿灯亮
            LED(1).off()
            LED(2).on()
            LED(3).off()
        elif re == b'ledb':      # 蓝灯亮
            LED(1).off()
            LED(2).off()
            LED(3).on()

        # 将命令发送给FPAG
        fpgare = fpga_spi.write_str(re.decode('ascii')+'\r\n')
        fpgare += fpga_spi.read(4)      # 再读入四字节
        U4.write(fpgare)                # 将从FPGA接收到的内容再发给串口4
</code>

<code python>
# -*- coding: utf-8-*-
# custom_spi.py -- put your code here!
from pyb import Pin, udelay  # 导入相关模块

# 普通IO模拟SPI驱动
class SPI(object):
    """创建SPI对象时传入四个参数
        cs:   片选信号
        clk:  主机时钟信号
        mosi: 主机输出（从机输入）信号
        miso: 主机输入（从机输出）信号
    """
    # 对象创建时，自动初始化
    def __init__(self, cs, clk, mosi, miso):
        super(SPI, self).__init__()
        self.SPI_CS = Pin(cs, Pin.OUT_PP)              #片选信号输出
        self.SPI_CLK = Pin(clk, Pin.OUT_PP)            #时钟输出
        self.SPI_MOSI = Pin(mosi, Pin.OUT_PP)          #SPI输出
        self.SPI_MISO = Pin(miso, Pin.IN, Pin.PULL_UP) #SPI输入
        self.SPI_CS.high()                             #片选信号拉高
        self.SPI_CS.low()                              #片选信号拉低
        self.SPI_CLK.high()                            #时钟拉高
        self.SPI_CLK.low()                             #时钟拉低
        self.SPI_MOSI.high()                           #输入拉高
        self.SPI_MOSI.low()                            #输入拉低
        self.SPI_MISO.value()                          #输出
    
    # SPI发送一字节函数，传入一字节
    def _write_byte(self, data):
        temp = 0                     # 定义接收变量接收返回字节
        for i in range(7):           # 循环七次，发送七比特
            if data & 0x80:          # 发送最高位的一比特
                self.SPI_MOSI.high() # 输出信号线拉高
            else:
                self.SPI_MOSI.low()  # 输出信号线拉低
            
            self.SPI_CLK.low()       # 时钟信号线拉低
            udelay(5)                # 等输出信号线稳定

            if self.SPI_MISO.value():# 读取输入信号线
                temp |= 1            # 接收变量按位赋值
            else:
                temp |= 0

            self.SPI_CLK.high()      # 时钟信号线拉高，从机接收数据
            udelay(5) 
            data <<= 1               # 数据左移一位
            temp <<= 1               # 接收变量左移一位

        if data & 0x80:              # 发送最后一比特，不左移
            self.SPI_MOSI.high()
        else:
            self.SPI_MOSI.low()

        self.SPI_CLK.low()
        udelay(5) 

        if self.SPI_MISO.value():
            temp |= 1
        else:
            temp |= 0

        self.SPI_CLK.high()
        udelay(5) 

        return(chr(temp))             # 将ascii转换为字符并返回

    # 发送字符串，传入要发送的字符串
    def write_str(self, str):
        res = ''
        self.SPI_CS.high()                   # 片选信号拉高
        for i in str:                        # 逐个发送字符
            res += self._write_byte(ord(i))  # 将字符转换为ascii码值，传给写字节函数
        self.SPI_CS.low()                    # 片选信号拉低

        return(res)
        
    # 读字节函数，传入读取字节数
    def read(self, l):
        res = ''
        self.SPI_CS.low()
        for i in range(l):
            res += self._write_byte(0x00)    # 主机发送0x00，获取从机数据
        self.SPI_CS.high()

        return(res)
</code>