SPI总线传输只需要4根线就能完成，这四根线的作用分别如下：
SCK(Serial Clock)：SCK是串行时钟线，作用是Master向Slave传输时钟信号，控制数据交换的时机和速率；
MOSI(Master Out Slave in)：在SPI Master上也被称为Tx-channel，作用是SPI主机给SPI从机发送数据；
CS/SS(Chip Select/Slave Select)：作用是SPI Master选择与哪一个SPI Slave通信，低电平表示从机被选中(低电平有效)；
MISO(Master In Slave Out)：在SPI Master上也被称为Rx-channel，作用是SPI主机接收SPI从机传输过来的数据；
SPI总线传输一共有4中模式，这4种模式分别由时钟极性(CPOL，Clock Polarity)和时钟相位(CPHA，Clock Phase)来定义，其中CPOL参数规定了SCK时钟信号空闲状态的电平，CPHA规定了数据是在SCK时钟的上升沿被采样还是下降沿被采样。
模式0：CPOL= 0，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换
模式1：CPOL= 0，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为低电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换
模式2：CPOL= 1，CPHA=0。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的下降沿被采样，数据在SCK时钟的上升沿切换
模式3：CPOL= 1，CPHA=1。SCK串行时钟线空闲是为高电平，数据在SCK时钟的上升沿被采样，数据在SCK时钟的下降沿切换
以模式0为例
发送：当FPGA通过SPI总线往从机中发送一个字节(8-bit)的数据时，首先FPGA把CS/SS片选信号设置为0，表示准备开始发送数据，整个发送数据过程其实可以分为16个状态：
状态0：SCK为0，MOSI为要发送的数据的最高位，即I_data_in[7]
状态1：SCK为1，MOSI保持不变
状态2：SCK为0，MOSI为要发送的数据的次高位，即I_data_in[6]
状态3：SCK为1，MOSI保持不变
状态4：SCK为0，MOSI为要发送的数据的下一位，即I_data_in[5]
状态5：SCK为1，MOSI保持不变
状态6：SCK为0，MOSI为要发送的数据的下一位，即I_data_in[4]
状态7：SCK为1，MOSI保持不变
状态8：SCK为0，MOSI为要发送的数据的下一位，即I_data_in[3]
状态9：SCK为1，MOSI保持不变
状态10：SCK为0，MOSI为要发送的数据的下一位，即I_data_in[2]
状态11：SCK为1，MOSI保持不变
状态12：SCK为0，MOSI为要发送的数据的下一位，即I_data_in[1]
状态13：SCK为1，MOSI保持不变
状态14：SCK为0，MOSI为要发送的数据的最低位，即I_data_in[0]
状态15：SCK为1，MOSI保持不变
一个字节数据发送完毕以后，产生一个发送完成标志位O_tx_done并把CS/SS信号拉高完成一次发送。
接收：当FPGA通过SPI总线从从机中接收一个字节(8-bit)的数据时，首先FPGA把CS/SS片选信号设置为0，表示准备开始接收数据，整个接收数据过程其实也可以分为16个状态，但是与发送过程不同的是，为了保证接收到的数据准确，必须在数据的正中间采样，也就是说模式0时序图中灰色实线的地方才是代码中锁存数据的地方，所以接收过程的每个状态执行的操作为：
状态0：SCK为0，不锁存MISO上的数据
状态1：SCK为1，锁存MISO上的数据，即把MISO上的数据赋值给O_data_out[7]
状态2：SCK为0，不锁存MISO上的数据
状态3：SCK为1，锁存MISO上的数据，即把MISO上的数据赋值给O_data_out[6]
状态4：SCK为0，不锁存MISO上的数据
状态5：SCK为1，锁存MISO上的数据，即把MISO上的数据赋值给O_data_out[5]
状态6：SCK为0，不锁存MISO上的数据
状态7：SCK为1，锁存MISO上的数据，即把MISO上的数据赋值给O_data_out[4]
状态8：SCK为0，不锁存MISO上的数据
状态9：SCK为1，锁存MISO上的数据，即把MISO上的数据赋值给O_data_out[3]
状态10：SCK为0，不锁存MISO上的数据
状态11：SCK为1，锁存MISO上的数据，即把MISO上的数据赋值给O_data_out[2]
状态12：SCK为0，不锁存MISO上的数据
状态13：SCK为1，锁存MISO上的数据，即把MISO上的数据赋值给O_data_out[1]
状态14：SCK为0，不锁存MISO上的数据
状态15：SCK为1，锁存MISO上的数据，即把MISO上的数据赋值给O_data_out[0]
一个字节数据接收完毕以后，产生一个接收完成标志位O_rx_done并把CS/SS信号拉高完成一次数据的接收。
I_clk是系统时钟；
I_rst_n是系统复位；
I_tx_en是主机给从机发送数据的使能信号，当I_tx_en为1时主机才能给从机发送数据；
I_rx _en是主机从从机接收数据的使能信号，当I_rx_en为1时主机才能从从机接收数据；
I_data_in是主机要发送的并行数据；
O_data_out是把从机接收回来的串行数据并行化以后的并行数据；
O_tx_done是主机给从机发送数据完成的标志位，发送完成后会产生一个高脉冲；
O_rx_done是主机从从机接收数据完成的标志位，接收完成后会产生一个高脉冲；
I_spi_miso、O_spi_cs、O_spi_sck和O_spi_mosi是标准SPI总线协议规定的四根线；
完整代码如下:
module spi_module
(
input I_clk,//系统时钟50MHz
input I_rst_n,//复位信号，低电平有效
input I_rx_en,//读使能信号
input I_tx_en,//发送使能信号
input [7:0] I_data_in,//要发送的数据
output reg [7:0] O_data_out,//接收到的数据
output reg O_tx_done,//发送一个字节完毕标志位
output reg O_rx_done,//接收一个字节完毕标志位
//四线标准SPI信号定义
input I_spi_miso,//SPI串行输入，用来接收从机数据
output reg O_spi_sck, //SPI时钟
output reg O_spi_cs, //SPI片选信号
output reg O_spi_mosi //SPI输出，用来给从机发数据
);
reg [3:0] R_tx_state ;
reg [3:0] R_rx_state ;
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_tx_state <= 4'd0 ;
R_rx_state <= 4'd0 ;
O_spi_cs <= 1'b1 ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
O_spi_mosi <= 1'b0 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_data_out <= 1'b0 ;
end
else if(I_tx_en)//发送使能信号打开
begin
O_spi_cs <= 1'b0;//把片选拉低
case(R_tx_state)
4'd1,4'd3,4'd5,4'd7,4'd9,4'd11,4'd13,4'd15: //奇数状态
begin
O_spi_sck <= 1'b1;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1;
O_tx_done <= 1'b0;
end
4'd0://发送第7位
begin
O_spi_mosi <= I_data_in[7] ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
end
4'd2://发送第6位
begin
O_spi_mosi <= I_data_in[6] ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
end
4'd4://发送第5位
begin
O_spi_mosi <= I_data_in[5] ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
end
4'd6://发送第4位
begin
O_spi_mosi <= I_data_in[4] ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
end
4'd8://发送第3位
begin
O_spi_mosi <= I_data_in[3] ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
end
4'd10://发送第2位
begin
O_spi_mosi <= I_data_in[2] ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
end
4'd12://发送第1位
begin
O_spi_mosi <= I_data_in[1] ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
end
4'd14://发送第0位
begin
O_spi_mosi <= I_data_in[0] ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_tx_state <= R_tx_state + 1'b1 ;
O_tx_done <= 1'b1 ;
end
default:R_tx_state <= 4'd0 ;
endcase
end
else if(I_rx_en)//接收使能信号打开
begin
O_spi_cs <= 1'b0;//把片选拉低
case(R_rx_state)
4'd0,4'd2,4'd4,4'd6,4'd8,4'd10,4'd12,4'd14:
begin
O_spi_sck <= 1'b0 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1;
O_rx_done <= 1'b0 ;
end
4'd1://接收第7位
begin
O_spi_sck <= 1'b1 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_data_out[7] <= I_spi_miso ;
end
4'd3: // 接收第6位
begin
O_spi_sck <= 1'b1 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_data_out[6] <= I_spi_miso ;
end
4'd5: // 接收第5位
begin
O_spi_sck <= 1'b1 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_data_out[5] <= I_spi_miso ;
end
4'd7: // 接收第4位
begin
O_spi_sck <= 1'b1 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_data_out[4] <= I_spi_miso ;
end
4'd9: // 接收第3位
begin
O_spi_sck <= 1'b1 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_data_out[3] <= I_spi_miso ;
end
4'd11: // 接收第2位
begin
O_spi_sck <= 1'b1 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_data_out[2] <= I_spi_miso ;
end
4'd13: // 接收第1位
begin
O_spi_sck <= 1'b1 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_data_out[1] <= I_spi_miso ;
end
4'd15: // 接收第0位
begin
O_spi_sck <= 1'b1 ;
R_rx_state <= R_rx_state + 1'b1 ;
O_rx_done <= 1'b1 ;
O_data_out[0] <= I_spi_miso ;
end
default:R_rx_state <= 4'd0 ;
endcase
end
else
begin
R_tx_state <= 4'd0 ;
R_rx_state <= 4'd0 ;
O_tx_done <= 1'b0 ;
O_rx_done <= 1'b0 ;
O_spi_cs <= 1'b1 ;
O_spi_sck <= 1'b0 ;
O_spi_mosi <= 1'b0 ;
O_data_out <= 8'd0 ;
end
end
endmodule
testbench文件
`timescale 1ns / 1ps
module tb_spi_module;
// Inputs
reg I_clk;
reg I_rst_n;
reg I_rx_en;
reg I_tx_en;
reg [7:0] I_data_in;
reg I_spi_miso;
// Outputs
wire [7:0] O_data_out;
wire O_tx_done;
wire O_rx_done;
wire O_spi_sck;
wire O_spi_cs;
wire O_spi_mosi;
// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
spi_module tb_uut(
.I_clk (I_clk),
.I_rst_n (I_rst_n),
.I_rx_en (I_rx_en),
.I_tx_en (I_tx_en),
.I_data_in (I_data_in),
.O_data_out (O_data_out),
.O_tx_done (O_tx_done),
.O_rx_done (O_rx_done),
.I_spi_miso (I_spi_miso),
.O_spi_sck (O_spi_sck),
.O_spi_cs (O_spi_cs),
.O_spi_mosi (O_spi_mosi)
);
initial begin
// Initialize Inputs
I_clk = 0;
I_rst_n = 0;
I_rx_en = 0;
I_tx_en = 1;
I_data_in = 8'h00;
I_spi_miso = 0;
// Wait 100 ns for global reset to finish
#100;
I_rst_n = 1;
end
always #10 I_clk = ~I_clk ;
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
I_data_in <= 8'h00;
else if(I_data_in == 8'hff)
begin
I_data_in <= 8'hff;
I_tx_en <= 0;
end
else if(O_tx_done)
I_data_in <= I_data_in + 1'b1 ;
end
endmodule
仿真波形
