基于FPGA的SPI Flash控制器的設(shè)計(jì)方案

　　SPI Flash控制器由VHDL編寫，主要為SPIFlash芯片提供串行時(shí)鐘，將從用戶端輸入的數(shù)據(jù)（包括指令字節(jié)、地址字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)）寄存起來并在串行時(shí)鐘的控制下通過spi_dout信號(hào)線逐位輸出到SPI Flash芯片中，同樣將從SPI Flash芯片中讀出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)送給用戶端。此外，SPI Flash控制器還必須在用戶通過sel、addr以及wr組合發(fā)出的操作命令下產(chǎn)生一系列的控制信號(hào)，并在這些控制信號(hào)的作用下根據(jù)狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換方向進(jìn)行動(dòng)作并且輸出相應(yīng)的結(jié)果。

　　3.2 SPI Flash控制器控制狀態(tài)機(jī)

　　由于SPI Flash操作命令較多，并且很多操作命令之間存在相同的操作步驟，所以利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行控制能夠準(zhǔn)確有條理地完成對(duì)SPI Flash的操作。分析GDQ25系列SPI Flashdatasheet，可將SPI Flash控制器的工作狀態(tài)劃分為空閑狀態(tài)（IDLE）、傳輸指令狀態(tài)（TxCMD）、傳輸高字節(jié)地址狀態(tài)（TxADD_H）、傳輸中間字節(jié)地址狀態(tài)（TxADD_M）、傳輸?shù)妥止?jié)地址狀態(tài)（TxADD_L）、傳輸偽字節(jié)狀態(tài)（TxDummy）、傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)（TxDATA）和接收數(shù)據(jù)狀態(tài)（RxDATA）。除此以外，由于所有接收到的指令值都寄存在指令寄存器內(nèi)，當(dāng)一條指令執(zhí)行完畢時(shí)需要將指令寄存器清空，以便接收下一條用戶指令，所以設(shè)定一個(gè)清除指令狀態(tài)（CLR_CMD）作為每一操作完成后的收尾狀態(tài)。當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入CLR_CMD狀態(tài)后，表示當(dāng)前操作已經(jīng)完成，正將指令寄存器指令值清空；當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入IDLE狀態(tài)時(shí)，用戶可輸入下一操作指令，對(duì)SPI Flash進(jìn)行下一操作。考慮到SPI Flash的響應(yīng)時(shí)間，在以上工作狀態(tài)中間插入了一些等待狀態(tài)（WAIT）。

　　4.SPI Flash控制器驗(yàn)證

　　SPI Flash控制器IP核在Modelsim 6.5g上能夠通過功能仿真，下面分析一下SPI Flash頁面編程操作及數(shù)據(jù)讀取操作的功能仿真。

　　4.1 頁面編程操作

　　頁面編程操作仿真波形如圖3所示，圖中截取輸入00H和01H數(shù)據(jù)的波形，最多可連續(xù)輸入一頁 256字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶輸入頁面編程指令02H，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入txcmd狀態(tài)，頁編程指令02H通過spi_dout傳輸給SPI Flash.當(dāng)tx_bit_cnt計(jì)數(shù)到8時(shí)，指令傳輸完畢，狀態(tài)機(jī)在等待后進(jìn)入txadd_h狀態(tài)，同時(shí)tx_bit_cnt被清零，需寫入數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)空間的起始地址高字節(jié)值89H被傳輸。當(dāng)tx_bit_cnt計(jì)數(shù)到8時(shí)，高字節(jié)地址值89H被傳輸完畢，狀態(tài)機(jī)在等待后進(jìn)入txadd_m狀態(tài)，同時(shí)tx_bit_cnt被清零，同上，地址中間字節(jié)67H和45H被傳輸。當(dāng)add_h、add_m和add_l寄存器的值依次傳輸完畢，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入 wait6狀態(tài)，等待用戶輸入需寫入SPI Flash的數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶設(shè)定{sel，addr，wr}為10001b，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入txdata狀態(tài)，同時(shí)tx_new_data被置高，表示要傳輸新寫入的數(shù)據(jù)。在txdata狀態(tài)下，控制器將傳輸寫入的第1字節(jié)數(shù)據(jù)00H，當(dāng)tx_bit_cnt計(jì)數(shù)到8時(shí)，第1字節(jié)數(shù)據(jù)00H被傳輸完畢，tx_new_data被拉低，tx_empty被拉高，表示當(dāng)前沒有可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入wait6狀態(tài)，等待新數(shù)據(jù)寫入。直到用戶再次設(shè)定 {sel，addr，wr}為10001b，狀態(tài)機(jī)再次進(jìn)入txdata狀態(tài)，同時(shí)tx_new_data被置高，表示寫入的第2字節(jié)數(shù)據(jù)01H將要傳輸。當(dāng)tx_bit_cnt計(jì)數(shù)到8，第2字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸完畢，tx_new_data被拉低，tx_empty被拉高，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入wait6狀態(tài)。由于 GDQ25系列SPI Flash頁面編程一次最多可寫入256字節(jié)數(shù)據(jù)，所以用戶在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意最多寫入256次數(shù)據(jù)，否則超過的數(shù)據(jù)將覆蓋開始的數(shù)據(jù)。當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于 wait6狀態(tài)而用戶想結(jié)束頁面編程時(shí)，可向控制器輸入NOP指令強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前頁面編程操作。狀態(tài)機(jī)在接收到NOP指令后將進(jìn)入clr_cmd狀態(tài)和 idle空閑態(tài)，等待下一條指令的到來。當(dāng)頁面編程操作還沒結(jié)束時(shí)，busy將一直被置高。

　　4.2 數(shù)據(jù)讀取操作

　　讀數(shù)據(jù)指令仿真波形如圖4所示。當(dāng)用戶輸入讀數(shù)據(jù)指令03H，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入txcmd狀態(tài)，讀數(shù)據(jù)指令通過spi_dout傳輸給SPI Flash。

　　當(dāng)tx_bit_cnt計(jì)數(shù)到8時(shí)，指令傳輸完畢，狀態(tài)機(jī)等待后進(jìn)入txadd_h狀態(tài)，傳輸要讀出數(shù)據(jù)所在存儲(chǔ)空間起始地址的高字節(jié)，同時(shí)tx_bit_cnt清零，以為下一個(gè)傳