SPI從機雙工通信實現-基於Zenq 7000

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1. 準備工作

Zenq 7000系列SPI外設支持master和slave工作模式。其中，master模式應用比較好理解。但是作爲slave模式工作時，如何與master進行雙工通信，是一個問題。

Zenq 7000使用了兩塊FIFO進行時鐘域的同步（CPU時鐘和SPI時鐘）。當作爲slave模式工作時，當master的SCLK信號產生時，SPI控制器會自動將接收數據存入RxFIFO，同時將TxFIFO中的數據在MISO線上發送出去。

在這個邏輯流程中，RxFIFO和TxFIFO可以分別設置一個water flow值（水位值）。當數據滿足某種條件時，會觸發驅動提醒用戶程序FIFO的狀態變化。具體如下圖所示：

其中，RxFIFO可以設置一個Threshold寄存器，當RxFIFO中的數據數大於這個值時，產生“RxFIFO非空”中斷，通知程序處理接收數據。當接收到的數據數小於這個值時，認爲Rx爲空。

TxFIFO類似也有一個Threshold寄存器，當TxFIFO中的數據小於這個值時，產生一個“TxFIFO水位過低”中斷，通知程序TxFIFO中剩餘的數據不多，需要儘快添加數據到TxFIFO中。

2. 雙工通信方案

對於從機而言，無法在當前byte返回指定的信息，故設計通訊協議如下圖所示：

主機通過spi對從機進行兩種類型的通信：Set類和Get類命令。顧名思義，Set類是將某種數據設置到從機，Get類命令是向從機索取某種數據。
每一個通信幀都包含兩個byte block，每個byte block包括7個Bytes。其中，第一個byte block主機發送的數據爲DC AA AA BB BB BB BB，其中 ‘DC’表示標識字節，’AA’標識命令編號，’BB’命令的參數數據。對於Set類型的命令，其參數數據是有效負載；對於Get類型的數據，其參數是無效內容，可以隨意填。

第二個byte block是用於master接收slave的回發數據，其中’ED’是自定義的標識字節。對於Set命令，第二個byte block中的’AA AA BB BB BB BB’返回其第一個byte block中的對應內容作爲通信校驗；對於Get命令，其中’AA’爲對應的命令編號，’DD’爲具體返回的數據。

每一個通信幀完成一條命令，即主機無論是發送什麼類型的命令都需要2x7=14 bytes來完成。

3. 實現方法

底層使用spips v2_0驅動實現。對於FPGA，首先完成SPI外設的各種配置

然後註冊中斷函數（spips中斷服務函數）

extern XSpiPs SpiInstance;
    // SPI Interrupt
Status = XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, ZYNQ_SPI1_INT_IRQ_ID,
                      (Xil_ExceptionHandler) XSpiPs_InterruptHandler,
                      (void *) (&SpiInstance));
if (Status != XST_SUCCESS) {
    return XST_FAILURE;
}
XScuGic_UserEnable(IntcInstancePtr, ZYNQ_SPI1_INT_IRQ_ID);

再註冊狀態服務函數（基於spips驅動）

XSpiPs_SetStatusHandler(&SpiInstance, &SpiInstance,
                 (XSpiPs_StatusHandler) SpiHandler);

再啓動設備

XSpiPs_Enable((&SpiInstance));

最後開啓一次7 bytes傳輸過程，（SPI_CMD_LEN == 7），開始傳輸

XSpiPs_Transfer(&SpiInstance, WriteBuffer, ReadBuffer, SPI_CMD_LEN);

spi狀態服務函數實現如下

void SpiHandler(void *CallBackRef, u32 StatusEvent, unsigned int ByteCount)
{
    int ret;
    static const unsigned char pError[SPI_CMD_LEN] =
                {0xED, 0xFF, 0xFF, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};

    switch (StatusEvent){

        case XST_SPI_TRANSFER_DONE:

            ret = SpiCmdProc(ReadBuffer, WriteBuffer);

            if(ret)
                memcpy(WriteBuffer, pError, SPI_CMD_LEN);

            XSpiPs_Transfer(&SpiInstance, WriteBuffer, ReadBuffer, SPI_CMD_LEN);

            break;

        default:
            //printf("SPI Error! spi_int() Status = %d, ByteCount = %d\n", StatusEvent, ByteCount);
            memcpy(WriteBuffer, pError, SPI_CMD_LEN);
            XSpiPs_Transfer(&SpiInstance, WriteBuffer, ReadBuffer, SPI_CMD_LEN);
            break;

    }   //end of switch
}

命令處理函數如下

int SpiCmdProc(unsigned char *pInData, unsigned char *pOutData)
{
    int i,j;
    int ret;

    if(pInData[0] != 0xDC )
        return -1;

    u16 cmd = (pInData[1] << 8) | pInData[2];
    u32 data = (pInData[3] << 24) | (pInData[4] << 16) | (pInData[5] << 8) |pInData[6] ;

    memcpy(pOutData, pInData, SPI_CMD_LEN);
    pOutData[0] = 0xED;

    switch (cmd){

        case SPI_CMD_READDATA:
            // jie @ 2017-03-17 : not doing anything for transmit origin command back
        break;

        case SPI_GET_TEMP:
            ret = GetTemperature(&i, &j);
            if(ret)
                return -1;
            FillSpiData(pOutData, i);
        break;

        default:
            FillSpiData(pOutData, 0xFFFFFFFF);
        break;
    }
    return 0;
}

上位機程序比較簡單，不再贅述。