SPI flash(M25P16芯片)实验设计Verilog代码Quartus AX301开发板

名称：spi flash(M25P16芯片)实验设计Verilog代码Quartus AX301开发板

软件：Quartus

语言：Verilog

代码功能：

由于 FPGA 是基于 SRAM 结构的，程序掉电后会丢失，所以需要一个外置 Flash 保存程序，FPGA 每次上电后去读取 Flash 中的配置程序，在 ALINX 开发板中，很多使用的是 SPI 接口的 nor flash，这种 flash 只需要 4 根 IO。FPGA 的配置 flash 是特殊的 IO，上电时工作，FPGA 要使用这些IO 来读取 Flash，读取完成后释放这些 IO 交给用户使用。

本实验做一个 SPI 主设备控制器，然后按照 spi Flash 数据手册的命令要求发出擦除、编程、读取等指令，每次上电后将 flash 中第一个字节读取并显示出来，按键按下时，数字加 1 再写回 flash。

主要学习 spi 接口、spi flash 操作等，由于篇幅有限，本文不详细介绍 SPI 协议和 spi flash 的操作时序。

FPGA代码Verilog/VHDL代码资源下载：www.hdlcode.com

本代码已在AX301开发板验证，AX301开发板如下，其他开发板可以修改管脚适配：

设计文档：

SPI Flash 实验

FPGA设计

1 实验简介

由于 FPGA 是基于 SRAM 结构的，程序掉电后会丢失，所以需要一个外置 Flash 保存程序，FPGA 每次上电后去读取 Flash 中的配置程序，在 ALINX 开发板中，很多使用的是 SPI 接口的 nor flash，这种 flash 只需要 4 根 IO。FPGA 的配置 flash 是特殊的 IO，上电时工作，FPGA 要使用这些IO 来读取 Flash，读取完成后释放这些 IO 交给用户使用。

本实验做一个 SPI 主设备控制器，然后按照 spi Flash 数据手册的命令要求发出擦除、编程、读取等指令，每次上电后将 flash 中第一个字节读取并显示出来，按键按下时，数字加 1 再写回 flash。

主要学习 spi 接口、spi flash 操作等，由于篇幅有限，本文不详细介绍 SPI 协议和 spi flash 的操作时序，但这些知识都是本实验基础。

2 实验原理

2.1 硬件介绍

如图所示，AX301、AX4010 开发板上有一个 SPI Flash，通常是做为 FPGA 的程序配置 Flash，但是也可以做为用户 Flash 使用，我们可以把自己的少量数据保存在 Flash 中。

AX301、AX4010 开发板 SPI flash

2.2 Flash 时序和命令

对一个器件进行操作前，我们首先要了解 Flash 的各种特性，特别是和我们操作相关的特性，大部分芯片厂商会提供芯片的数据手册，这些芯片手册一般可以通过芯片厂商网站获取，有些厂商需要签订保密协议才能提供数据手册。所以获取芯片数据手册也是非常重要的学习内容，首先通过搜索引擎搜索，在没有搜索结果时可到芯片厂商官网找找，很多芯片数据手册下载是需要注册登录，然后再下载。注意：在进行试验前请先阅读配套资料芯片手册文件夹下的FLASH datasheet，搞清楚flash 命令，地址和数据之间的时序关系。

2.2.1 SPI 模式

SPI 可以通过 CPOL，CPHA 来配置模式，这对于刚接触 SPI 协议比较费劲，暂且不去理会。SPI Flash 支持 2 种配置模式（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

这 2 种数据模式，数据输入都是在串行时钟的上升沿锁存数据，在串行时钟的下降沿送出数据。（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 种 SPI 模式数据波形

2.2.2 Flash 的主要操作

页编程（Page programming）

编程指令就是讲 Flash 的数据位由 1 变成 0，只能由 1 变成 0，如果要从 0 变成 1，只能使用 擦除操作。要编程一个数据字节，需要两个指令：写使能（WREN），这是一个字节和一个页编程（pp）指令，它由四字节加上数据组成。为了提高性能，页编程（PP）指令最多允许 256 字节， 当然这些数据都必须在一页内，不能跨页连续读取。从页编程指令时序图可以看出，SPI 需要先发 送一个字节的指令，再发出 3 个字节的地址，然后再发出数据，最大 256 个数据。将数据写入后 检查状态寄存器 WIP 位（状态寄存器最低位）的值，若为 1 表示处于数据写入周期，若为 0 表示 写入周期完成，可以进行下一步操作。

页编程指令时序

页编程之前需要写使能有效，需要先发送写使能指令，指令时序如下图，写使能只有一个字 节。可以反复发送写使能。

写使能指令时序

块擦除指令（Bulk Erase）

块擦除指令（BE）可以把整个 flash 都变成 1，同样，在块擦除之前需要先发送写使能指令。 Flash 的擦除需要的时间很长，容量不同时间会有差异，一般需要几分钟擦除整片芯片。块擦除指 令发出后，我们通过不断读取状态寄存器（Status Register）来查询擦除是否完成。

hdlcode.com

块擦除指令时序

扇区擦除指令（Sector Erase）

扇区擦除（SE）指令可以按照扇区擦除 Flash。和块擦除不同的是，扇区擦除是要指定扇区地 址，扇区擦除前也需要发送写使能指令。

扇区擦写指令

读数据指令（Read Data Bytes）

读 flash 是非常常见的操作，首先拉低片选信号，然后发出读指令，3 个字节的读地址，然后 就可以持续读出数据，地址自动累加。器件处于擦除或数据写入周期时，数据读取指令无效并且 对当前周期无任何影响。

读数据指令

flash 的其他指令这里不再介绍，其他指令如下图表格。

flash 指令列表

3 程序设计

spi flash 读写相对比较复杂，本实验将 flash 操作分解为 3 层，最底层为 SPI 驱动层，每次写一个字节返回一个字节，然后是 flash 指令层，flash 指令层通过 spi 主控制器读写数据，完成最基本的 flash 各种指令，然后是 flash 擦除、编程、读写层，为其他模块提供可直接操作 flash 的接口。

SPI主设备控制器

（spi master）

Flash擦除、编程、 读写控制

（spi flash ctrl ）

spi flash 控制器框图

为了检验 flash 掉电不丢失的功能，实验设计了一个状态机，上电一段时间后读取 flash 的第 一个字节，并通过数码管显示出来，如果按键按下，将数字加 1，再写回 flash，这样下次上电会 保持新写入的数据。

spi master 状态机设计，主要完成一个字节 spi 数据的读写，由于是全双工的，写一个字节的 同时也读一个字节。首先空闲状态“IDLE”接收到写请求后进入“DCLK_IDLE”状态，这个状态为 spi 时钟沿变化保持一定的时间，用来控制 spi 时钟的周期，然后进入 spi 时钟沿的变化状态，一 个字节上升沿和下降沿一共 16 个数据沿。在最后一个数据沿进入“LAST_HALF_CYCLE”状态，为 让最后一个沿也保持一定的时间，再进入应答状态，完成一次写请求。

spi master 模块状态图

spi_master 模块中模拟了一个 spi 时钟，在状态机进入到‘DCLK_EDGE’时进行翻转

在‘spi_flash_top’模块中例化‘spi_master’模块时已经设定‘clk_div’的值为 0，目的是将 模拟的 spi 时钟‘DCLK_reg’进行 4 分频，也就是当‘clk_div=0’整个模块运行时，从状态‘IDLE’ 跑到状态‘DCLE_EDGE’需要 4 个‘sys_clk’周期。至于其他不能够理解的地方请大家详细了解 spi 总线时序和 flash 读写时序后再来看或许会有更深的认识。当然，最直观的方法还是仿真

spi master 端口说明

spi _flash_cmd 模块状态机设计，如下图所示，在收到命令请求以后进入“S_CMD_LATCH”命 令锁存状态，将请求的命令记录下来，然后进入“S_CS_LOW”状态，拉低 spi 的片选信号，再进入“S_WR_CMD_CODE”状态，发送一个字节的命令码，如果这个命令只有一个字节，进入“S_KEEP_CS_LOW”状态，保持一个周期的片选拉低，然后进入“S_CS_HIGH”状态，拉高片选。 如果命令后面还有地址等数据，进入“S_WRITE_BYTES”写数据状态，或进入“S_READ_BYTES” 读。需要注意，在 spi 数据接口‘data_recv’向数据输出接口‘data_out’传送数据时，是舍弃了 3 个字节的地址位，只传送数据位。而在产生‘data_req’信号时‘byte_cnt’却是到 2，为了满 足数据写入的时序要求，这里提前了一个时钟周期

spi_flash_cmd 状态机

spi_flash_cmd 模块端口

spi_flash_ctrl 模块主要完成 flash 擦除、编程、读操作。擦除前需要写使能有效、等待擦除完

成等多项 flash 命令。状态机如下图所示：

“S_IDLE”：空闲状态

“S_WREN”：写使能命令状态

“S_READ”：读状态

“S_WRITE”：写状态（编程）

“S_SE”：扇区擦除

“S_BE”：块擦除

“S_CK_STATE”：状态寄存器检查，用来检测是否擦除完成等。

“S_ACK”：请求应答

spi_flash_ctrl 状态机

spi_flash_ctrl 端口

在这个模块状态机的‘S_CK_STATE’状态，进行状态转移的条件不仅有命令应答信号还需要判断‘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，显示 SPI 是否在写入状态，为 0 时表示该状态不忙。同时，在 spi_flash_ctrl 模块中，我们调用了一个宏定义模块，和 C 语言里的宏定义类似，宏定义模块里面定义了对 flash 操作的各种命令，其用法和格式请参照例程。

4 实验现象

将程序下载到开发板以后，数码管显示一个数字，这个数字是 flash 的第一个字节，通过按下key1 键，数字会加一，同时擦除了 flash，并将新的数据写入，重新上电后，加载下载程序，数码管将显示最后一次按按键的数字。注意：由于 flash 擦写需求一定的时间，按键不能按的太快。

部分代码展示:

`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

点击链接获取代码文件：http://www.hdlcode.com/index.php?m=home&c=View&a=index&aid=1345