AXI Quad SPI IP核基于AXI-Lite接口的标准SPI设计指南

在标准SPI配置下，SPI设备除了包含基本的SPI特性外，还具备以下一些标准功能，这些功能如下所示：

• 支持FPGA内部的多主设备配置，其中使用单独的_I（输入）、_O（输出）、_T（三态）表示三态端口。这种配置允许在FPGA内部有多个主设备共享SPI总线，通过三态驱动器来实现。
• 在默认配置下支持N次8位数据字符的传输。默认的SPI模式实现了通过写入SPI SSR（SPI状态/控制寄存器）来手动控制SS（从设备选择）输出的功能。

       此模式只能与外部从属设备一起使用。

       在SPI通信中，当FIFO被禁用时，可以选择一个可选操作，使得主设备在每次传输8位字符时         自动切换SS（从设备选择）输出。这是通过SPI控制寄存器（SPICR）中的某个特定位来实           现。

       当主设备需要向特定的从设备发送数据时，它会将相应的SS线拉低（通常表示选中该从设            备）。然后，在每个8位字符传输完成后，主设备会自动切换SS线，以便选择下一个从设备            或继续与当前从设备通信。

• 支持多主设备环境，这通常是通过三态驱动器来实现。在多主设备环境中，可能存在多个主设备试图同时访问同一从设备的情况，因此需要软件仲裁来解决可能的冲突。
• 支持多从设备环境，能够自动生成额外的从设备选择输出信号，以便主设备可以选择性地与不同的从设备进行通信。
• 在主模式下，SPI控制器支持的最大时钟速率可达AXI时钟速率的一半。
• 在从模式下，由于AXI和SPI时钟之间的同步方法，最大时钟速率降至AXI时钟速率的四分之一。注意，在从模式下不支持C_SCK_RATIO = 2的配置。当配置为从模式时，需要确保AXI和外部时钟信号是对齐的。
• 具有一个可配置的波特率生成器，用于生成SPI时钟信号。这允许用户根据应用需求调整SPI通信的速率。
• 不支持WCOL（写冲突）标志，因此WCOL不能用作写冲突错误指示。在SPI数据传输进行中时，不应向发送寄存器写入数据。
• 支持背靠背（back-to-back）事务，即在不中断的情况下进行多个字节、半字或字的传输。这要求发送FIFO在传输过程中始终不为空，接收FIFO始终不为满。
• 所有SPI传输都是全双工的，意味着主设备向从设备发送一个8位数据字符的同时，从设备也在向主设备发送一个独立的8位数据字符。这可以视为一个循环的16位移位寄存器，其中SPI主设备中的8位移位寄存器与SPI从设备中的另一个8位移位寄存器相连。

在SPI多主设备配置中，连接到给定从设备（第N个设备）的SPI总线通常由以下四根线组成：

• Serial Clock (SCK): 串行时钟线，用于同步主设备和从设备之间的数据传输。所有连接到SPI总线的从设备和主设备都共享这根线。

• IO0 (Master Out, Slave In (MOSI)): 主设备数据输出，从设备数据输入线。主设备通过这根线发送数据到从设备，而从设备通过监听这根线来接收数据。同样，这根线也是所有连接到SPI总线的设备所共享的。

• IO1 (Master In, Slave Out (MISO)): 主设备数据输入，从设备数据输出线。从设备通过这根线发送数据到主设备，主设备通过监听这根线来接收数据。这根线也是共享的。

• Slave Select (SS(N)): 从设备选择线，也称为片选线或NSS（Negative Slave Select）。在SPI多主配置中，每个从设备都有一个独特的SS线，用于标识和选择该从设备以进行通信。当主设备需要与某个特定的从设备通信时，它会将对应从设备的SS线拉低（激活状态），而保持其他从设备的SS线为高电平（非激活状态）。这样，只有被选中的从设备会响应主设备的通信请求。

虽然SCK、IO0(MOSI)和IO1(MISO)这三根线是共享的，但每个从设备都有一个独特的SS线，用于在多主配置中区分和选择从设备，如下图所示。此外，任何连接到SPI总线的设备（无论是主设备还是从设备）都可以根据配置（例如通过寄存器设置）在运行时动态地切换其角色（从主设备变为从设备，或从从设备变为主设备）。

注：当IP核在主机模式下生成，但通过寄存器配置（60h）将其配置为从机时，SPISEL（Slave Select）信号应由SPI主机驱动到该IP核。这意味着，尽管该IP核可能是在主机模式下创建的，但通过特定的配置，它可以作为从机工作，并从主机接收选择信号。

每个SPI主机设备都可以生成一个低电平有效、一位热编码（one-hot encoded）的SS(N)向量。在这个向量中，每一位都被分配了一个SS信号，用于控制每个SPI从机设备。这意味着主机可以同时管理多个从机，通过不同的SS信号来激活和与特定的从机通信。

SPI主机和从机设备可以都是FPGA内部的，也可以有外部的从机设备。当与外部SPI从机设备接口时，Vivado Design Suite会自动生成必要的SPI引脚。这提供了与外部硬件通信的接口。

图3-1展示了多个SPI主机和从机设备的配置。这种配置同样适用于dual 模式。