1. 了解SPI通信的基本原理。
2. 掌握SPI通信基于FPGA的实现方法。
3. 学习基于SPI总线的ARM+FPGA数据传输应用。

1. iCore3 双核心板（ FPGA型号为EP4CE10F17，ARM型号为STM32F407IGT6）。
2. Blaster（或相同功能的）仿真器和USB线缆。
3. Micro USB线缆。
4. QuartusII开发软件（本实验中使用的是13.1版本）。

• 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：

• 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。

• 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。

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

• 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;

————————–data—————————-

/*对比接收数据*/
reg [2:0]led;	
always@(posedge CLK_25M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
		begin
			led <= 3'b111;
		end
	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

• FPGA发送数据的时候，ARM是接收方，但是发送时钟还是有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

• 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。

* 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：