FPGA模块——SPI协议(读写FLASH)

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了FPGA模块——SPI协议(读写FLASH)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

(1)FLASH芯片 W25Q16BV

芯片引脚图:
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内部结构图:
存储区域总共分成了32块,每块64KB。每块又分成了16个部分,每个部分4KB。方便进行读取和局部操作。
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电路设计
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(2)SPI协议

SPI的四种模式
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这里使用这个模式:
主机和从机在时钟上升沿放入要输出的数据,在时钟下降沿读取要输入的数据。
8个时钟后交换一个字节8位数据(高位在前)。
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(3)芯片部分命令

有个输入时序的要求 开始时CS拉低等待(tSLCH要求最小5ns)再开始, 结束时CS拉高等待(tSHSL用100ns )再进行下一次操作。
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这个寄存器的第一位数据可以判断操作是否完成(BUSY位)
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1.Write Enable(06h)

写使能:开始时CS拉低等待(tSLCH要求最小5ns)再开始,结束时CS拉高等待(tSHSL取100ns )再进行下一次操作。
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2.Chip Erase (C7h / 60h)

整片擦除,要判断操作是否完成
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3.写指令(02h)

数据写多了会把之前的数据覆盖掉,要判断操作是否完成。
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4.读指令(03h)

要判断操作是否完成
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(4)代码

1. FPGA做主机的SPI协议

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对信号进行同步和提前准备:
100m时钟和clk_cnt配合进行数据的读取和输出(clk_cnt有等于1和0的时候)
spi_clk基于100m时钟输出一个相当于clk_cnt的延时半个周期的时钟,确保输入输出数据稳定。

module spi_drive(

	input             clk_100m      ,
	input             sys_rst_n     ,
	
	//user interface
	input             spi_start     ,//spi开启使能。
	input [7:0 ]      spi_cmd       ,//FLAH操作指令
	input [23:0]      spi_addr      ,//FLASH地址
	input [7:0 ]      spi_data      ,//FLASH写入的数据
	input [3:0 ]      cmd_cnt       ,
	
	output            idel_flag_r   ,//空闲状态标志的上升沿 
	output reg        w_data_req    ,//FLASH写数据请求 
	output reg [7:0]  r_data        ,//FLASH读出的数据
	output reg        erro_flag     ,//读出的数据错误标志
	
	//spi interface
	output reg        spi_cs        ,//SPI从机的片选信号,低电平有效。
	output reg        spi_clk       ,//主从机之间的数据同步时钟。
	output reg        spi_mosi      ,//数据引脚,主机输出,从机输入。
	input             spi_miso       //数据引脚,主机输入,从机输出。

);

//状态机
parameter IDLE         =4'd0;//空闲状态
parameter WEL          =4'd1;//写使能状态
parameter S_ERA        =4'd2;//扇区擦除状态
parameter C_ERA        =4'd3;//全局擦除
parameter READ         =4'd4;//读状态
parameter WRITE        =4'd5;//写状态
parameter R_STA_REG    =4'd6;

//指令集
parameter WEL_CMD      =8'h06;
parameter S_ERA_CMD    =8'h20;
parameter C_ERA_CMD    =8'hc7;
parameter READ_CMD     =8'h03;
parameter WRITE_CMD    =8'h02;
parameter R_STA_REG_CMD=8'h05;

//wire define
wire      idel_flag;

//reg define
reg[3:0]  current_state  ;
reg[3:0]  next_state     ;
reg[7:0 ] data_buffer    ;
reg[7:0 ] cmd_buffer     ;
reg[7:0 ] sta_reg        ;
reg[23:0] addr_buffer    ;
reg[31:0] bit_cnt        ;
reg       clk_cnt        ;
reg       dely_cnt       ;
reg[31:0] dely_state_cnt ;
reg[7:0 ] rd_data_buffer ;
reg       spi_clk0       ;
reg       stdone         ;
reg[7:0 ] data_check     ;
reg       idel_flag0     ;
reg       idel_flag1     ;

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************

//*抓取上升沿
assign idel_flag=(current_state==IDLE)?1:0;//空闲状态标志
assign idel_flag_r=idel_flag0&&(~idel_flag1);//空闲状态标志的上升沿

//*抓取上升沿要用的
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)begin
		idel_flag0<=1'b1;
		idel_flag1<=1'b1;
	end
	else begin
		idel_flag0<=idel_flag;
		idel_flag1<=idel_flag0;
	end
end

//请求数据 + 把数据放入buffer 
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		w_data_req<=1'b0;
	else if((bit_cnt+2)%8==0&&bit_cnt>=30&&clk_cnt==0&&current_state==WRITE) //提前2个时钟周期
		w_data_req<=1'b1;
	else
		w_data_req<=1'b0;
end

always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin//读出的数据移位寄存
	if(!sys_rst_n)
		rd_data_buffer<=8'd0;
	else if(bit_cnt>=32&&bit_cnt<=2080&&clk_cnt==0&&current_state==READ)									
		rd_data_buffer<={rd_data_buffer[6:0],spi_miso};
	else
		rd_data_buffer<=rd_data_buffer;
end

always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin//检查读出的数据是否正确
	if(!sys_rst_n)
		data_check<=8'd0;
	else if(bit_cnt%8==0&&bit_cnt>=40&&clk_cnt==1&&current_state==READ)
		data_check<=data_check+1'd1;
	else
		data_check<=data_check;
end

always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin//读出的数据
	if(!sys_rst_n)
		r_data<=8'd0;
	else if(bit_cnt%8==0&&bit_cnt>38&&clk_cnt==1&&current_state==READ)
		r_data<=rd_data_buffer;
	else
		r_data<=r_data;
end

always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin//读出的数据错误标志
	if(!sys_rst_n)
		erro_flag<=1'd0;
	else if(bit_cnt>32&&bit_cnt<=2080&&current_state==READ&&cmd_cnt==6)begin
		if(data_check!=r_data)
			erro_flag<=1'd1;
		else
			erro_flag<=erro_flag;
		end
	else
		erro_flag<=erro_flag;
end
	
//*把数据放入buffer 提前一个周期
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		data_buffer<=8'd0;
	else if((bit_cnt+1)%8==0&&bit_cnt>30&&clk_cnt==1)//*把数据放入buffer 提前一个周期
		data_buffer<=spi_data;
	else if(clk_cnt==1&&current_state==WRITE&&bit_cnt>=32)
		data_buffer<={data_buffer[6:0],data_buffer[7]};
	else
		data_buffer<=data_buffer;
end

//*----位移cmd指令存储器 开始:cs选中且dely未生效,提前了100mhz的周期------------
//使50mhz时数据提前半个周期获得
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		cmd_buffer<=8'd0;
	else if(spi_cs==0&&dely_cnt==0)
		cmd_buffer<=spi_cmd;
	else if(clk_cnt==1&&(current_state==WEL||current_state==S_ERA||current_state==C_ERA
	       ||current_state==READ||current_state==WRITE||current_state==R_STA_REG)&&bit_cnt<8)
		cmd_buffer<={cmd_buffer[6:0],1'b1};
	else
		cmd_buffer<=cmd_buffer;
end

//取出地址每一位
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		addr_buffer<=8'd0;
	else if(spi_cs==0&&dely_cnt==0)
		addr_buffer<=spi_addr;
	else if(clk_cnt==1&&(current_state==READ||current_state==WRITE)&&bit_cnt>=8&&bit_cnt<32)
		addr_buffer<={addr_buffer[22:0],addr_buffer[23]};
	else
		addr_buffer<=addr_buffer;
end

//------------使能后clk_cnt输出50M时钟用于操作信号--------------
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		clk_cnt<=1'd0;
	else if(dely_cnt==1)
		clk_cnt<=clk_cnt+1'd1;
	else 
		clk_cnt<=1'd0;
end

//*---------cs选中器件后的信号输出的  dely_cnt 可以认为是使能操作------------
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		dely_cnt<=1'd0;
	else if(spi_cs==0)begin
	    if(dely_cnt<1)
			dely_cnt<=dely_cnt+1'd1;
		else
			dely_cnt<=dely_cnt;
	end
	else
		dely_cnt<=1'd0;
end

//*-----------------结束的延时计时器------------------------------------
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		dely_state_cnt<=1'd0;
	else if(spi_cs)begin
	    if(dely_state_cnt<400000000)
			dely_state_cnt<=dely_state_cnt+1'd1;
		else
			dely_state_cnt<=dely_state_cnt;
	end
	else
		dely_state_cnt<=1'd0;
end

//*-------------------------bit读写计数---------------------
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		bit_cnt<=11'd0;
	else if(dely_cnt==1)begin
			if(clk_cnt==1'b1)
				bit_cnt<=bit_cnt+1'd1;
			else
				bit_cnt<=bit_cnt;
	end
	else
		bit_cnt<=11'd0;
end

状态机 :每个状态该干什么,怎么转移
修改里面的命令和转态就可以移植到其他的地方了。

//三段式状态机
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		current_state<=IDLE;
	else
		current_state<=next_state;
end

always @(*)begin

	case(current_state)
	
	   IDLE: begin
	          if(spi_start&&spi_cmd==WEL_CMD)
				next_state=WEL;
			  else if(spi_start&&spi_cmd==C_ERA_CMD)
				next_state=C_ERA;
			  else if(spi_start&&spi_cmd==S_ERA_CMD)
				next_state=S_ERA;
			  else if(spi_start&&spi_cmd==READ_CMD)
				next_state=READ;
			  else if(spi_start&&spi_cmd==WRITE_CMD)
				next_state=WRITE;
			  else if(spi_start&&spi_cmd==R_STA_REG_CMD)
				next_state=R_STA_REG;
			  else
	            next_state=IDLE;
			end
	
		WEL: begin
			  if(stdone&&bit_cnt>=8)
				   next_state=IDLE;
			  else
		           next_state=WEL;
			  end
			 
		S_ERA: begin
				if(stdone)
					next_state=IDLE;
				else
					next_state=S_ERA;
				end
		C_ERA: begin		
				if(stdone)
					next_state=IDLE;
				else
					next_state=C_ERA;
				end
		READ: begin 		
				if(stdone&&bit_cnt>=8)
					next_state=IDLE;
				else
					next_state=READ;
				end
		WRITE: begin		
				 if(stdone&&bit_cnt>=8)
					next_state=IDLE;
				else
					next_state=WRITE;
				end
		R_STA_REG: begin		
				 if(stdone)
					next_state=IDLE;
				else
					next_state=R_STA_REG;
				end
		
	default: next_state=IDLE;			
	endcase				
end
									
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n) begin
		spi_cs<=1'b1;
		spi_clk<=1'b0;
		spi_clk0<=1'b0;
		spi_mosi<=1'b0;	
		stdone<=1'b0;		
	end
	else begin
		case(current_state)
			IDLE: begin
				spi_cs<=1'b1;
				spi_clk<=1'b0;
				spi_mosi<=1'b0;				
			end
			
			WEL: begin
			     stdone<=1'b0;
				 spi_cs<=1'b0;
					 if(dely_cnt==1&&bit_cnt<8) begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=cmd_buffer[7];
						end
					 else if(bit_cnt==8&&clk_cnt==0)begin
					    stdone<=1'b1;
						spi_clk<=1'b0;						
						spi_mosi<=1'b0;						
					 end
					 else if(bit_cnt==8&&clk_cnt==1)begin
						spi_cs<=1'b1;						
				 end
				 end
			C_ERA: begin
					stdone<=1'b0;
			         if(dely_state_cnt==10)                
						spi_cs<=1'b0;
					 else if(dely_cnt==1&&bit_cnt<8) begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=cmd_buffer[7];
						end
					 else if(bit_cnt==8&&clk_cnt==0)begin
					    stdone<=1'b1;				    
						spi_clk<=1'b0;
						spi_mosi<=1'b0;	
					 end
					  else if(bit_cnt==8&&clk_cnt==1)begin
						spi_cs<=1'b1;						
				 end
				 end
			S_ERA: begin
			       stdone<=1'b0;				 
					if(dely_state_cnt==10)                
						spi_cs<=1'b0;
					 else if(dely_cnt==1&&bit_cnt<8) begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=cmd_buffer[7];
						end
					 else if(bit_cnt>=8&&bit_cnt<32&&spi_cs==0)begin
					    spi_cs<=1'b0;
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=addr_buffer[23];
					 end
					 else if(bit_cnt==32&&clk_cnt==0) begin
						spi_cs<=1'b1;
						spi_clk<=1'b0;
						spi_mosi<=1'b0;
						stdone<=1'b1;
					 end
				 end
            READ: begin
			      stdone<=1'b0;
				  if(dely_state_cnt==10)                
						spi_cs<=1'b0;
					else if(dely_cnt==1&&bit_cnt<8) begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=cmd_buffer[7];
						end
					 else if(bit_cnt>=8&&bit_cnt<32&&spi_cs==0)begin					    
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=addr_buffer[23];
					 end
					 else if(bit_cnt>=32&&bit_cnt<2080)begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=1'b0;						
					 end
					 else if(bit_cnt==2080&&clk_cnt==0) begin						
						spi_clk<=1'b0;
						spi_mosi<=1'b0;
						stdone<=1'b1;						
					 end
					  else if(bit_cnt==2080&&clk_cnt==1) begin
						spi_cs<=1'b1;
					 end
				 end
            WRITE: begin
			     stdone<=1'b0;
				  if(dely_state_cnt==10)                
						spi_cs<=1'b0;
					 else if(dely_cnt==1&&bit_cnt<8) begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=cmd_buffer[7];
						end
					 else if(bit_cnt>=8&&bit_cnt<32&&spi_cs==0)begin					   
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=addr_buffer[23];
					 end
					 else if(bit_cnt>=32&&bit_cnt<2080)begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=data_buffer[7];
					 end
					 else if(bit_cnt==2080&&clk_cnt==0) begin
						
						spi_clk<=1'b0;
						spi_mosi<=1'b0;
						stdone<=1'b1;
					 end
					  else if(bit_cnt==2080&&clk_cnt==1) begin
						spi_cs<=1'b1;
					 end
                  end
			R_STA_REG:begin				              
						stdone<=1'b0;
				     if(dely_state_cnt==10)                
						spi_cs<=1'b0;
					else if(dely_cnt==1&&bit_cnt<8)begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=cmd_buffer[7];
						end
					 else if(bit_cnt==8)begin					   				    
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=1'b0;						
					 end                      				 
					  else if(~spi_miso&&bit_cnt%8==0)begin
					    spi_clk<=1'b0;
						spi_cs<=1'b1;
						stdone<=1'b1;
				      end
					 else if(~spi_cs&&dely_cnt==1)begin
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
				 end	   			         	 
			  end 
             default: begin
			            stdone<=1'b0;
                        spi_cs<=1'b1;
				        spi_clk<=1'b0;
						spi_clk0<=1'b0;
				        spi_mosi<=1'b0;				        
			end
         endcase
	end
end

endmodule

2. SPI协议的使用

首先系统开始运行,来几个周期延伸。
spi_start信号只是一个周期脉冲。
idel_flag_r是进入空闲状态的标志位也就是意味着上一步操作完成。
cmd计数指令不断加来切换不同的命令。
spi_cmd 输出命令文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-755619.html

module flash_rw(

	input            sys_clk      ,
	input            sys_rst_n    ,
	
	input            idel_flag_r  ,
	input            w_data_req   ,
	output reg[3:0 ] cmd_cnt      ,
	output reg       spi_start    ,//spi开启使能。
	output reg[7:0 ] spi_cmd      ,
	output reg[7:0 ] spi_data      
   
);

//指令集
parameter WEL_CMD      =16'h06;
parameter S_ERA_CMD    =16'h20;
parameter C_ERA_CMD    =16'hc7;
parameter READ_CMD     =16'h03;
parameter WRITE_CMD    =16'h02;
parameter R_STA_REG_CMD=8'h05 ;

//reg define
reg[3:0] flash_start;


//SPI 要写入的数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		flash_start<=0;
	else if(flash_start<=5)
	    flash_start<=flash_start+1;
	else
		flash_start<=flash_start;
end

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		cmd_cnt<=0;
	else if(flash_start==4)
	    spi_start<=1'b1;
	else if(idel_flag_r&&cmd_cnt<10)begin
	    cmd_cnt<=cmd_cnt+1;
		spi_start<=1'b1;
	end
	else begin
		cmd_cnt<=cmd_cnt;
		spi_start<=1'b0;
	end
end

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		spi_data<=8'd0;
	else if(w_data_req)
		spi_data<=spi_data+1'b1;
	else
		spi_data<=spi_data;
end

always @(*)begin
	case(cmd_cnt)
		0:spi_cmd=WEL_CMD;
		1:spi_cmd=C_ERA_CMD;
		2:spi_cmd=R_STA_REG_CMD;
		3:spi_cmd=WEL_CMD;
		4:spi_cmd=WRITE_CMD;
		5:spi_cmd=R_STA_REG_CMD;
		6:spi_cmd=READ_CMD;
		7:spi_cmd=WEL_CMD;
		8:spi_cmd=S_ERA_CMD;
		9:spi_cmd=R_STA_REG_CMD;
		10:spi_cmd=READ_CMD;
		
	default:;
	endcase
end

endmodule

到了这里,关于FPGA模块——SPI协议(读写FLASH)的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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    M25P16概述: M25P16是一款带有先进写保护机制和高速SPI总线访问的串行Flash存储器。M25P16特点如下: 存储结构:16M Bit(2M Byte)的存储空间,一共32个扇区(sector),每个扇区256页,每页256字节,每个字节的的存储地址由扇区地址(8bit)+页地址(8bit)+字节地址(8bit)构成。 SP

    2024年02月04日
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  • FPGA怎么读写外部FLASH中的用户数据?(超详细)

    一、 软件平台与硬件平台 软件平台: 1、操作系统:Windows-8.1 2、开发套件:ISE14.7 3、仿真工具:ModelSim-10.4-SE 4、Matlab版本:Matlab2014b/Matlab2016a 硬件平台: 1、 FPGA型号:Xilinx公司的XC6SLX45-2CSG324 2、 Flash型号:WinBond公司的W25Q128BV   Quad SPI Flash存储器 提示:如果图片不清晰,请

    2024年02月07日
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  • FPGA解析串口指令控制spi flash完成连续写、读、擦除数据

    最近在收拾抽屉时找到一个某宝的spi flash模块,如下图所示,我就想用能不能串口来读写flash,大致过程就是,串口向fpga发送一条指令,fpga解析出指令控制flah,这个指令协议目前就是: 55 + AA + CMD + LEN_h + LEN_m + LEN_l + DATA CMD:01 写;02 读;03 擦除(片擦除); LEN_h/m/l:三个字

    2024年02月03日
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  • K7系列FPGA进行FLASH读写1——CCLK控制(STARTUPE2原语)

      最近的工作涉及对 FPGA 进行远程更新,也就是通过远程通信接口将 .bin 文件送到 FPGA,然后写入 FLASH,这样当 FPGA 重新上电后就可以执行更新后的程序了。因此第一步工作就是进行 FLASH 的读写控制。   然而如果尝试配置 FLASH 管脚时,会发现 CCLK 管脚是不可配置的,这

    2024年02月05日
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  • 嵌入式开发--STM32G4系列片上FLASH的读写

    这个玩意吧,说起来很简单,就是几行代码的事,但楞是折腾了我大半天时间才搞定。原因后面说,先看代码吧: 读操作很简单,以32位方式读取的时候是这样的: 需要注意的是,当以32位方式读取时,地址需要是4的整数倍,即32位。 8位或16位方式类似操作即可 需要注意的

    2024年01月18日
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  • 【正点原子FPGA连载】第十五章eMMC读写测试实验 摘自【正点原子】DFZU2EG_4EV MPSoC之嵌入式Vitis开发指南

    1)实验平台:正点原子MPSoC开发板 2)平台购买地址:https://detail.tmall.com/item.htm?id=692450874670 3)全套实验源码+手册+视频下载地址: http://www.openedv.com/thread-340252-1-1.html eMMC是一种嵌入式多媒体存储卡,它具有存储容量大、传输速度快、易于使用等优点,主要应用于对存储容量有

    2024年02月06日
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  • 【FPGA】SPI协议

    SPI(Serial Perripheral Interface, 串行外围设备接口)是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术。SPI 总线在物理上是通过接在外围设备微控制器(PICmicro) 上面的微处理控制单元 (MCU) 上叫作同步串行端口(Synchronous Serial Port) 的模块(Module)来实现的, 它允许 MCU 以全双工的同步串行方式

    2024年02月09日
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  • 【LabVIEW FPGA入门】LabVIEW FPGA 实现SPI通信协议

            该实现由两个组件组成:在 LabVIEW FPGA 中实现的 SPI 协议以及用于从主机 PC 或实时控制器与 FPGA 进行通信的 LabVIEW 主机接口。该架构允许从单个主机程序控制多个 SPI 端口,同时仍然允许定制 FPGA VI 以进行其他数据采集和处理。该实现不使用任何DMA(直接内存访问

    2024年01月17日
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  • FPGA DAC模块 SPI通信

    1.串行外设接口(SPI)是微控制器和外围IC(如传感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等)之间使用最广泛的接口之一。 2.SPI是一种同步、全双工、主从式接口。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。SPI接口可以是3线式或4线式。    SPI总

    2024年02月11日
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