為Zynq SoC和Zynq UltraScale＋MPSoC實現SPI介面

Arty Z7之乾貨一籮筐

這次我們拿來講講如何為Zynq實現SPI介面

最近，Digilent開源技術社區收到了兩個關於如何在Zynq SoC和Zynq UltraScale + MPSoC上實現SPI介面的問題。在回答了這些問題之後，我認為有必要寫一篇如何實現SPI的文章，在此分享。

當我們在設計中使用Zynq SoC或Zynq UltraScale + MPSoC時，可以有兩種方法來實現SPI介面：

使用PS端的SPI控制器（PS端有兩個SPI控制器）

在PL端使用配置成標準SPI通信的AXI Quad SPI (QSPI) IP模塊

我們可以根據應用的要求來選擇使用哪種方法實現SPI控制器。兩種SPI的實現方式都支持四種SPI模式，並且都可以作為SPI主設備或SPI從設備。下表列出了它們之間的一些差異：

首先，我們演示一下如何使用PS端的SPI控制器進行SPI傳輸。在Zynq MIO configuration選項卡中選中SPI控制器，這就將SPI包含在了設計中。在這個例子中，我將把SPI信號連接到DigilentARTY Z7開發板的SPI介面，這需要通過PL I/O使用EMIO。

圖：啟用SPI並將埠映射到EMIO

在選擇好相應的選項後，唯一要做的就是連接SPI埠的I/O。具體要如何進行連接取決於我們是需要配置一個SPI主設備還是從設備。在SPI控制器上，每個SPI埠都有對應的可用輸入（xxx_i）輸出埠（xxx_o）。埠的正確連接十分關鍵，如果連接錯誤，當運行應用程序時，將得到完全錯誤的運行結果，這可能需要花費我們幾個小時的時間來尋找問題的源頭。另外，當配置成SPI從設備時，有一個名稱為Slave Select的輸入；而當用作SPI主設備時，將有三個選擇引腳。

當正確配置好I/O並創建了工程，我們就可以使用應用軟體中的SPI配置選項將SPI控制器配置成為主設備或從設備。使用PS SPI控制器配置和傳輸數據，需要使用由XSPIps.H定義的BSP（板卡支持包）所提供的API介面。在第一個例子中，我們將SPI控制器配置為SPI主設備。

默認情況下，SPI使用8位傳輸。但是，我們也可以將傳輸配置成更大的16或32位。對於8位傳輸，我們在C程序中可以使用u8數據類型。對於16位或32位傳輸，分別使用16位或32位對數據進行讀寫緩存。

一開始，這可能會導致一些問題或生成編譯器警告，因為執行如下所示的兩個數據傳輸API函數都需要發送和接收緩衝區的數據類型為u8：

s32 XSpiPs_Transfer(XSpiPs *InstancePtr, u8 *SendBufPtr, u8 *RecvBufPtr, u32 ByteCount);

s32 XSpiPs_PolledTransfer(XSpiPs *InstancePtr, u8 *SendBufPtr, u8 *RecvBufPtr, u32 ByteCount);

為了解決使用u16和u32數據類型的問題，我們需要將緩衝區轉換為u8指針，如下所示：

XSpiPs_PolledTransfer(&SpiInstance, (u8*)&TxBuffer, (u8*)&RxBuffer, 8);

這樣設置將就使得我們能夠傳輸大小為8，16或32位的數據了。為了演示這一設置，我將SPI主設備IO連接到DigilentDigital Discovery口袋儀器來測試傳輸的數據。在應用軟體中使用上述方法將數據寬度從8位變為16位。

圖：Arty Z7開發板與Digital Discovery口袋儀器

圖：Zynq SoC PS SPI主設備發送四個8位字

圖：PS SPI主設備發送四個16位字

另一個實現SPI介面的方法是使用AXI QSPI IP核，使用這種方法需要在Vivado中進行的設置比較多，需要花費比較長的時間。在AXI QSPI配置對話框中，我們可以配置傳輸的寬度、頻率和從設備的數量。最重要的一個選項就是選擇AXI QSPI IP核是作為SPI主設備還是從設備。如果要配置成SPI主設備，就必須選中enable master mode選項。如果要配置成為從設備，則必須取消該選項以確保SPISel輸入引腳的存在。當SPI IP核作為從設備時，該引腳需要連接到主設備的slave select.埠。

圖：配置AXI Quad SPI

與PS SPI控制器一樣，BSP也為SPI IP提供一個API介面。我們可以用它來開發應用軟體，這個API是在文件XSPI.h中定義的。作為例子的第二部分，我將使用這個API來配置AXI QSPI作為SPI從設備。

為了演示創建軟體後AXI QSPI核可以正確的以SPI從設備方式進行工作。我再次使用DigilentDigital Discovery口袋儀器作為SPI主設備，使數據在兩者之間傳輸。

圖：SPI從設備收發數據（藍色的數據由Zynq SPI Slave輸出）

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