【连载】【FPGA黑金开发板】NIOS II那些事儿SPI实验 (八)

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简介

      这一节，我们来讲讲NIOS II中的SPI总线的用法。首先，我们来简单介绍一下SPI总线吧，SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口，是Motorola公司推出的一种同步串行通讯方式，是一种四线同步总线，因其硬件功能很强，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。

      SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO（主入从出），MOSI（主出从入），SCK（时钟），CS（片选）。

（1）MISO – 主设备数据输出，从设备数据输入

（2）MOSI – 主设备数据输入，从设备数据输出

（3）SCK – 时钟信号，由主设备产生

（4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制

      其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

      SPI总线的理论知识就介绍这么多，想要看具体点的去网上百度一下吧。下面我们就开始SPI总线的开发旅程吧。

硬件开发

      在我们开发板中网口部分是用SPI总线实现的，网络芯片是MICROCHIP公司的ENC28J60，我们先看一下这部分的电路，如下图所示，其中与SPI总线相关的有，LAN_MISO，LAN_MOSI，LAN_SCK这三个根线，其余的都是通过PIO模块实现的。而且有些线还用不到，比如LAN_nWOL。

我们这一节主要是教大家如何来实现SPI总线的功能，对于ENC28J60的原理相对复杂，在这里我就不详细讲解了，大家有兴趣的可以自己研究一下。

下      面我们就来构建SPI模块，进入SOPC BUILDER后，我们如下图所示，点击红圈处（SPI）

点击后，如下图所示，在这里面，我们有5个地方需要注意，

红圈1处是主从模式选择，我们选择主模式（Master）；

红圈2处是从设备的个数，我们选择1；

红圈3处是SPI时钟速率，我们选择10M，这个地方需要注意一下，我们设置的频率与实际的频率有时候是不一致的（下面显示的是实际频率），例如，我们输入50MHz，实际的频率只有25MHz。

红圈4处是数据的位数，我们选择8；

红圈5处是移位的方向，就是说串行数据过来时，是最高位先来还是最低位先来，我们选择MSB first。

处理好这些以后，点击Finish，完成构建。

      接下来，我们还要构建两个PIO模块，一个用作CS信号控制，一个用作中断信号。之所以没有用SPI总线本身的CS，是由程序处理本身决定的。中断信号的PIO模块，构建过程需要注意一下内容，首先作为中断信号，是输入信号，所以在选择过程中，如下图所示，红圈1处选择为1，红圈2处选择Input ports only，仅作为输入端口，点击Next，进行下一步

点击后，进入下一步，如下图所示，外部中断要求电平触发，所以按红圈处选择方式。

然后，我们点击Finish，完成构建。

完成上述内容以后，我们需要对模块进行改名，如下图所示，

一切就绪，别忘了自动地址分配和中断分配。哦了，我们开始编译吧，等待……

编译好以后，我们回到Quartus界面，根据TCL脚本文件进行管脚分配，如下图所示

接下来我们运行脚本文件，进行编译，又一次漫长的等待……

编译成功以后，我们开始进行软件部分的开发

软件开发

      打开NIOS II 9.0 IDE，然后进行编译，快捷键Ctrl+b，等待编译成功后，我们来看看system.h中多了些什么，如下表所示，

/*
 * LAN configuration
 *
 */
#define LAN_NAME "/dev/LAN"
#define LAN_TYPE "altera_avalon_spi"
#define LAN_BASE 0x00201020
……
/*
 * LAN_CS configuration
 *
 */
#define LAN_CS_NAME "/dev/LAN_CS"
#define LAN_CS_TYPE "altera_avalon_pio"
#define LAN_CS_BASE 0x00201060
……
/*
 * LAN_nINT configuration
 *
 */
#define LAN_NINT_NAME "/dev/LAN_nINT"
#define LAN_NINT_TYPE "altera_avalon_pio"
#define LAN_NINT_BASE 0x00201070
……

我们需要以下内容

#define LAN_BASE 0x00201020
#define LAN_CS_BASE 0x00201060
#define LAN_NINT_BASE 0x00201070

接下来，我们需要对sopc.h进行修改，在其中加入以下代码

typedef struct{
    volatile unsigned long int RXDATA;
    volatile unsigned long int TXDATA;
    union{
        struct{
            volatile unsigned long int NC           :3;
            volatile unsigned long int ROE          :1;
            volatile unsigned long int TOE          :1;
            volatile unsigned long int TMT          :1;
            volatile unsigned long int TRDY         :1;
            volatile unsigned long int RRDY         :1;
            volatile unsigned long int E             :1;
            volatile unsigned long int NC1          :23;        
        }BITS;
        volatile unsigned long int WORD;
    }STATUS;

    union{
        struct{
            volatile unsigned long int NC           :3;
            volatile unsigned long int IROE         :1;
            volatile unsigned long int ITOE         :1;
            volatile unsigned long int NC1          :1;
            volatile unsigned long int ITRDY        :1;
            volatile unsigned long int IRRDY        :1;
            volatile unsigned long int IE           :1;
            volatile unsigned long int NC2          :1;
            volatile unsigned long int SSO          :21;
        }BITS;
        volatile unsigned long int CONTROL;
    }CONTROL;

    unsigned long int RESERVED0;
    unsigned long int SLAVE_SELECT;
}SPI_STR;

这部分代码是根据《n2cpu_Embedded Peripherals.pdf》的第7-10页，如下表所示，结构体的顺序是根据下表的排列顺序进行设计的，与串口中结构体的道理相同。

除了上述结构体以外，我们还要在sopc.h中加入以下代码

#ifdef _LAN
#define LAN          ((SPI_STR *) LAN_BASE)
#define LAN_CS       ((PIO_STR *) LAN_CS_BASE)       
#endif /*_LAN */

修改好sopc.h以后，我们需要在inc文件夹下建立一个enc28j60.h，在其中加入以下内容，（这只是enc28j60.h文件中的一部分，还有很大一部分宏定义没有写出）

/*-----------------------------------------------------------
 *  Data Struct
 *----------------------------------------------------------*/
typedef const struct{
    unsigned char (* read_control_register)(unsigned char address);
    void (* initialize)(void);
    void (* packet_send)(unsigned short len,unsigned char * packet);
    unsigned int (* packet_receive)(unsigned short maxlen,unsigned char * packet);
}ENC28J60;

/*----------------------------------------------------------
 *  external variable
 *----------------------------------------------------------*/
extern ENC28J60 enc28j60;

大家可以看出，在我们的程序中，这样的结构体随处可见，在之前的串口程序，还是这个SPI程序，我们都在用。它的好处就在于，可以将零散的函数和变量整合在一起，通过结构体的形式来处理，大大提高了程序的可读性，也增强了程序的可维护性和可移植性。

处理好上述内容后，我们开始编写enc28j60的驱动程序，内容很多，我们截取其中一部分有关SPI的内容来进行讲解

/*
 * ==============================================================
*       Filename:  enc28j60.c
*    Description:  enc28j60 device driver
*        Version:  1.0.0
 *        Created:  2009-8-7 13:05:54
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  Nios II IDE
*         Author:  AVIC
 *        Company:  金沙滩工作室
 *
 * ==============================================================
 */

/*---------------------------------------------------------------
 *  Include
 *---------------------------------------------------------------*/
#include "../inc/enc28j60.h"
#include "../inc/sopc.h"
#include <stdio.h>

/*--------------------------------------------------------------
 *  Function Prototype
 *-------------------------------------------------------------*/
static unsigned char enc28j60_read_control_register(
unsigned char address);
static void enc28j60_initialize(void);
static void enc28j60_packet_send(unsigned short len,
unsigned char * packet);
static unsigned int enc28j60_packet_receive(
unsigned short maxlen,unsigned char * packet);

/*------------------------------------------------------------
 *  Variable
 *------------------------------------------------------------*/
//结构体初始化，注意初始化的写法
ENC28J60 enc28j60={
    .read_control_register = enc28j60_read_control_register,               
    .initialize        = enc28j60_initialize,                  
    .packet_send       = enc28j60_packet_send,                 
    .packet_receive    = enc28j60_packet_receive                   
};

static unsigned char enc28j60_bank = 1;
static unsigned short next_packet_pointer;
/* 
 * ===  FUNCTION  ==============================================================
 *         Name:  set_cs
 *  Description:  
 * ============================================================
 */
static void set_cs(unsigned char level)          
{
    if(level)    
        LAN_CS->DATA = 1;     
    else        
        LAN_CS->DATA = 0;      
}

/* 
 * ===  FUNCTION  ===============================================
 *         Name:  enc28j60_write_operation
 *  Description:  ENC28J60的写操作
 * =============================================================
 */


static void enc28j60_write_operation(unsigned char op,
 unsigned char address, unsigned char data)
{       
    //首先将CS置低，CS低电平有效
set_cs(0);
              
    //首先是写命令，等待状态状态寄存器的TMT位，当该位为0，说明正在发送数据，当该位//为1时，说明发送完毕，此时寄存器为空
    LAN->TXDATA = (op | (address & 0x1F)); 
while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));

//写数据，等待状态状态寄存器的TMT位，当该位为0，说明正在发送数据，当该位
//为1时，说明发送完毕，此时寄存器为空
    LAN->TXDATA = data;          
    while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));
    //发送完毕以后，将CS置高
    set_cs(1);
}

/* 
 * ===  FUNCTION  ================================================
 *         Name:  enc28j60_read_operation
 *  Description:  ENC28J60的读操作
 * ==============================================================
 */
static unsigned char enc28j60_read_operation(unsigned char op,
unsigned char address)
{ 
unsigned char data;

//首先将CS置低，CS低电平有效
set_cs(0);

    //首先是写命令，等待状态状态寄存器的TMT位，当该位为0，说明正在发送数据，当该位//为1时，说明发送完毕，此时寄存器为空
    LAN->TXDATA = op|(address&0x1f);
    while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));
    
    //写数据，发送0x00，0x00是个随机数，为了使能时钟，发送的数据与硬件有关系
    LAN->TXDATA = 0x00;  //0x00 is random number ,to enable clock 
    while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));
    
    //MAC和MII寄存器读的第一个字节是无效的，所以他们需要写两次
    if(address&0x80){
        LAN->TXDATA = 0x00;
        while(!(LAN->STATUS.BITS.TMT));   
    }
    //开始读数据
    data = LAN->RXDATA;
//读完以后，将CS置高
    set_cs(1);

    return data;
}

对于网口这部分程序，需要结合TCP/IP协议才能进行通信，所以，这部分主函数就暂时不写了，等讲到TCP/IP协议那部分的时候，我们再进行讲解。

      我们这一节主要是讲解SPI总线的使用方法，对于数据的收发都有所涉及，希望大家能够充分的理解其中的编程方法。有关ENC28J60的完整驱动，我将以附件形式提供给大家，这一节到此结束了，如果大家对这部分内容有疑问，可以加入我们的NIOS技术群，或者通过邮件形式与我沟通，谢谢大家。