SPI flash(M25P16芯片)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Verilog代碼Quartus AX301開發(fā)板

名稱：spi flash(M25P16芯片)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Verilog代碼Quartus AX301開發(fā)板

軟件：Quartus

語言：Verilog

代碼功能：

由于 FPGA 是基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的，程序掉電后會(huì)丟失，所以需要一個(gè)外置 Flash 保存程序，F(xiàn)PGA 每次上電后去讀取 Flash 中的配置程序，在 ALINX 開發(fā)板中，很多使用的是 SPI 接口的 nor flash，這種 flash 只需要 4 根 IO。FPGA 的配置 flash 是特殊的 IO，上電時(shí)工作，F(xiàn)PGA 要使用這些IO 來讀取 Flash，讀取完成后釋放這些 IO 交給用戶使用。

本實(shí)驗(yàn)做一個(gè) SPI 主設(shè)備控制器，然后按照 spi Flash 數(shù)據(jù)手冊的命令要求發(fā)出擦除、編程、讀取等指令，每次上電后將 flash 中第一個(gè)字節(jié)讀取并顯示出來，按鍵按下時(shí)，數(shù)字加 1 再寫回 flash。

主要學(xué)習(xí) spi 接口、spi flash 操作等，由于篇幅有限，本文不詳細(xì)介紹 SPI 協(xié)議和 spi flash 的操作時(shí)序。

FPGA代碼Verilog/VHDL代碼資源下載：www.hdlcode.com

本代碼已在AX301開發(fā)板驗(yàn)證，AX301開發(fā)板如下，其他開發(fā)板可以修改管腳適配：

設(shè)計(jì)文檔：

SPI Flash 實(shí)驗(yàn)

FPGA設(shè)計(jì)

1 實(shí)驗(yàn)簡介

由于 FPGA 是基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的，程序掉電后會(huì)丟失，所以需要一個(gè)外置 Flash 保存程序，F(xiàn)PGA 每次上電后去讀取 Flash 中的配置程序，在 ALINX 開發(fā)板中，很多使用的是 SPI 接口的 nor flash，這種 flash 只需要 4 根 IO。FPGA 的配置 flash 是特殊的 IO，上電時(shí)工作，F(xiàn)PGA 要使用這些IO 來讀取 Flash，讀取完成后釋放這些 IO 交給用戶使用。

本實(shí)驗(yàn)做一個(gè) SPI 主設(shè)備控制器，然后按照 spi Flash 數(shù)據(jù)手冊的命令要求發(fā)出擦除、編程、讀取等指令，每次上電后將 flash 中第一個(gè)字節(jié)讀取并顯示出來，按鍵按下時(shí)，數(shù)字加 1 再寫回 flash。

主要學(xué)習(xí) spi 接口、spi flash 操作等，由于篇幅有限，本文不詳細(xì)介紹 SPI 協(xié)議和 spi flash 的操作時(shí)序，但這些知識(shí)都是本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 硬件介紹

如圖所示，AX301、AX4010 開發(fā)板上有一個(gè) SPI Flash，通常是做為 FPGA 的程序配置 Flash，但是也可以做為用戶 Flash 使用，我們可以把自己的少量數(shù)據(jù)保存在 Flash 中。

AX301、AX4010 開發(fā)板 SPI flash

2.2 Flash 時(shí)序和命令

對(duì)一個(gè)器件進(jìn)行操作前，我們首先要了解 Flash 的各種特性，特別是和我們操作相關(guān)的特性，大部分芯片廠商會(huì)提供芯片的數(shù)據(jù)手冊，這些芯片手冊一般可以通過芯片廠商網(wǎng)站獲取，有些廠商需要簽訂保密協(xié)議才能提供數(shù)據(jù)手冊。所以獲取芯片數(shù)據(jù)手冊也是非常重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，首先通過搜索引擎搜索，在沒有搜索結(jié)果時(shí)可到芯片廠商官網(wǎng)找找，很多芯片數(shù)據(jù)手冊下載是需要注冊登錄，然后再下載。注意：在進(jìn)行試驗(yàn)前請(qǐng)先閱讀配套資料芯片手冊文件夾下的FLASH datasheet，搞清楚flash 命令，地址和數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系。

2.2.1 SPI 模式

SPI 可以通過 CPOL，CPHA 來配置模式，這對(duì)于剛接觸 SPI 協(xié)議比較費(fèi)勁，暫且不去理會(huì)。SPI Flash 支持 2 種配置模式（These devices can be driven by a microcontroller with its SPI peripheral running in either of the two following modes）：

CPOL=0, CPHA=0

CPOL=1, CPHA=1

這 2 種數(shù)據(jù)模式，數(shù)據(jù)輸入都是在串行時(shí)鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，在串行時(shí)鐘的下降沿送出數(shù)據(jù)。（For these two modes, input data is latched in on the rising edge of Serial Clock (C), and output data is available from the falling edge of Serial Clock (C)）.

2 種 SPI 模式數(shù)據(jù)波形

2.2.2 Flash 的主要操作

頁編程（Page programming）

編程指令就是講 Flash 的數(shù)據(jù)位由 1 變成 0，只能由 1 變成 0，如果要從 0 變成 1，只能使用 擦除操作。要編程一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，需要兩個(gè)指令：寫使能（WREN），這是一個(gè)字節(jié)和一個(gè)頁編程（pp）指令，它由四字節(jié)加上數(shù)據(jù)組成。為了提高性能，頁編程（PP）指令最多允許 256 字節(jié)， 當(dāng)然這些數(shù)據(jù)都必須在一頁內(nèi)，不能跨頁連續(xù)讀取。從頁編程指令時(shí)序圖可以看出，SPI 需要先發(fā) 送一個(gè)字節(jié)的指令，再發(fā)出 3 個(gè)字節(jié)的地址，然后再發(fā)出數(shù)據(jù)，最大 256 個(gè)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)寫入后 檢查狀態(tài)寄存器 WIP 位（狀態(tài)寄存器最低位）的值，若為 1 表示處于數(shù)據(jù)寫入周期，若為 0 表示 寫入周期完成，可以進(jìn)行下一步操作。

頁編程指令時(shí)序

頁編程之前需要寫使能有效，需要先發(fā)送寫使能指令，指令時(shí)序如下圖，寫使能只有一個(gè)字 節(jié)。可以反復(fù)發(fā)送寫使能。

寫使能指令時(shí)序

塊擦除指令（Bulk Erase）

塊擦除指令（BE）可以把整個(gè) flash 都變成 1，同樣，在塊擦除之前需要先發(fā)送寫使能指令。 Flash 的擦除需要的時(shí)間很長，容量不同時(shí)間會(huì)有差異，一般需要幾分鐘擦除整片芯片。塊擦除指 令發(fā)出后，我們通過不斷讀取狀態(tài)寄存器（Status Register）來查詢擦除是否完成。

hdlcode.com

塊擦除指令時(shí)序

扇區(qū)擦除指令（Sector Erase）

扇區(qū)擦除（SE）指令可以按照扇區(qū)擦除 Flash。和塊擦除不同的是，扇區(qū)擦除是要指定扇區(qū)地 址，扇區(qū)擦除前也需要發(fā)送寫使能指令。

扇區(qū)擦寫指令

讀數(shù)據(jù)指令（Read Data Bytes）

讀 flash 是非常常見的操作，首先拉低片選信號(hào)，然后發(fā)出讀指令，3 個(gè)字節(jié)的讀地址，然后 就可以持續(xù)讀出數(shù)據(jù)，地址自動(dòng)累加。器件處于擦除或數(shù)據(jù)寫入周期時(shí)，數(shù)據(jù)讀取指令無效并且 對(duì)當(dāng)前周期無任何影響。

讀數(shù)據(jù)指令

flash 的其他指令這里不再介紹，其他指令如下圖表格。

flash 指令列表

3 程序設(shè)計(jì)

spi flash 讀寫相對(duì)比較復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)將 flash 操作分解為 3 層，最底層為 SPI 驅(qū)動(dòng)層，每次寫一個(gè)字節(jié)返回一個(gè)字節(jié)，然后是 flash 指令層，flash 指令層通過 spi 主控制器讀寫數(shù)據(jù)，完成最基本的 flash 各種指令，然后是 flash 擦除、編程、讀寫層，為其他模塊提供可直接操作 flash 的接口。

SPI主設(shè)備控制器

（spi master）

Flash擦除、編程、 讀寫控制

（spi flash ctrl ）

spi flash 控制器框圖

為了檢驗(yàn) flash 掉電不丟失的功能，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)狀態(tài)機(jī)，上電一段時(shí)間后讀取 flash 的第 一個(gè)字節(jié)，并通過數(shù)碼管顯示出來，如果按鍵按下，將數(shù)字加 1，再寫回 flash，這樣下次上電會(huì) 保持新寫入的數(shù)據(jù)。

spi master 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，主要完成一個(gè)字節(jié) spi 數(shù)據(jù)的讀寫，由于是全雙工的，寫一個(gè)字節(jié)的 同時(shí)也讀一個(gè)字節(jié)。首先空閑狀態(tài)“IDLE”接收到寫請(qǐng)求后進(jìn)入“DCLK_IDLE”狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)為 spi 時(shí)鐘沿變化保持一定的時(shí)間，用來控制 spi 時(shí)鐘的周期，然后進(jìn)入 spi 時(shí)鐘沿的變化狀態(tài)，一 個(gè)字節(jié)上升沿和下降沿一共 16 個(gè)數(shù)據(jù)沿。在最后一個(gè)數(shù)據(jù)沿進(jìn)入“LAST_HALF_CYCLE”狀態(tài)，為 讓最后一個(gè)沿也保持一定的時(shí)間，再進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)，完成一次寫請(qǐng)求。

spi master 模塊狀態(tài)圖

spi_master 模塊中模擬了一個(gè) spi 時(shí)鐘，在狀態(tài)機(jī)進(jìn)入到‘DCLK_EDGE’時(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)

在‘spi_flash_top’模塊中例化‘spi_master’模塊時(shí)已經(jīng)設(shè)定‘clk_div’的值為 0，目的是將 模擬的 spi 時(shí)鐘‘DCLK_reg’進(jìn)行 4 分頻，也就是當(dāng)‘clk_div=0’整個(gè)模塊運(yùn)行時(shí)，從狀態(tài)‘IDLE’ 跑到狀態(tài)‘DCLE_EDGE’需要 4 個(gè)‘sys_clk’周期。至于其他不能夠理解的地方請(qǐng)大家詳細(xì)了解 spi 總線時(shí)序和 flash 讀寫時(shí)序后再來看或許會(huì)有更深的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然，最直觀的方法還是仿真

spi master 端口說明

spi _flash_cmd 模塊狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，如下圖所示，在收到命令請(qǐng)求以后進(jìn)入“S_CMD_LATCH”命 令鎖存狀態(tài)，將請(qǐng)求的命令記錄下來，然后進(jìn)入“S_CS_LOW”狀態(tài)，拉低 spi 的片選信號(hào)，再進(jìn)入“S_WR_CMD_CODE”狀態(tài)，發(fā)送一個(gè)字節(jié)的命令碼，如果這個(gè)命令只有一個(gè)字節(jié)，進(jìn)入“S_KEEP_CS_LOW”狀態(tài)，保持一個(gè)周期的片選拉低，然后進(jìn)入“S_CS_HIGH”狀態(tài)，拉高片選。 如果命令后面還有地址等數(shù)據(jù)，進(jìn)入“S_WRITE_BYTES”寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，或進(jìn)入“S_READ_BYTES” 讀。需要注意，在 spi 數(shù)據(jù)接口‘data_recv’向數(shù)據(jù)輸出接口‘data_out’傳送數(shù)據(jù)時(shí)，是舍棄了 3 個(gè)字節(jié)的地址位，只傳送數(shù)據(jù)位。而在產(chǎn)生‘data_req’信號(hào)時(shí)‘byte_cnt’卻是到 2，為了滿 足數(shù)據(jù)寫入的時(shí)序要求，這里提前了一個(gè)時(shí)鐘周期

spi_flash_cmd 狀態(tài)機(jī)

spi_flash_cmd 模塊端口

spi_flash_ctrl 模塊主要完成 flash 擦除、編程、讀操作。擦除前需要寫使能有效、等待擦除完

成等多項(xiàng) flash 命令。狀態(tài)機(jī)如下圖所示：

“S_IDLE”：空閑狀態(tài)

“S_WREN”：寫使能命令狀態(tài)

“S_READ”：讀狀態(tài)

“S_WRITE”：寫狀態(tài)（編程）

“S_SE”：扇區(qū)擦除

“S_BE”：塊擦除

“S_CK_STATE”：狀態(tài)寄存器檢查，用來檢測是否擦除完成等。

“S_ACK”：請(qǐng)求應(yīng)答

spi_flash_ctrl 狀態(tài)機(jī)

spi_flash_ctrl 端口

在這個(gè)模塊狀態(tài)機(jī)的‘S_CK_STATE’狀態(tài)，進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件不僅有命令應(yīng)答信號(hào)還需要判斷‘state_reg’寄存器的最低位，需要知道的是‘state_reg’的最低位就是 WIP 位，顯示 SPI 是否在寫入狀態(tài)，為 0 時(shí)表示該狀態(tài)不忙。同時(shí)，在 spi_flash_ctrl 模塊中，我們調(diào)用了一個(gè)宏定義模塊，和 C 語言里的宏定義類似，宏定義模塊里面定義了對(duì) flash 操作的各種命令，其用法和格式請(qǐng)參照例程。

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將程序下載到開發(fā)板以后，數(shù)碼管顯示一個(gè)數(shù)字，這個(gè)數(shù)字是 flash 的第一個(gè)字節(jié)，通過按下key1 鍵，數(shù)字會(huì)加一，同時(shí)擦除了 flash，并將新的數(shù)據(jù)寫入，重新上電后，加載下載程序，數(shù)碼管將顯示最后一次按按鍵的數(shù)字。注意：由于 flash 擦寫需求一定的時(shí)間，按鍵不能按的太快。

部分代碼展示:

`define CMD_WREN          8'h06
`define CMD_WRDI          8'h04
`define CMD_RDID          8'hAB       //EPCS4 EPCS16 is 0'hab st spi flash is 8'h9f
`define CMD_RDSR          8'h05
`define CMD_WRSR          8'h01
`define CMD_READ          8'h03
`define CMD_FAST_READ     8'h0b
`define CMD_PP            8'h02
`define CMD_SE            8'hd8
`define CMD_BE            8'hc7

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