17 SPI FLASH读写

于 2024-05-12 22:14:06 发布
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分类专栏： FPGA开发入门 文章标签： fpga开发
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SPI 协议简介

SPI 即 Serial Periphera linterface 的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口，主要用于与FLASH、实时时钟、AD 转换器等外设模块的通信，它是一种高速的全双工同步的通信总线。
SPI 设备分为主设备和从设备，SPI 通信必须由主设备发起，主设备通过片选引脚（CSn）来选择对应的从设备，通过时钟引脚（SCK）向从设备提供时钟，通过数据输出引脚（MOSI）引脚向从设备发送数据，通过数据输入引脚（MISO）引脚来读取从设备返回的数据，如下是 SPI 的总线拓扑图(分别是1个主设备对应1个从设备和1个主设备对应多个从设备)：
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SPI 时序

通过 SPI 的时钟极性（CPOL）和相位（ CPHA）可以组合出4种工作模式，如下表所示是对应的4种工作模式：
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  1. 模式0（CPOL = 0， CPHA = 0）
    CPOL = 0：空闲时是低电平，第一个跳变沿是上升沿，第二个跳变沿是下降沿
    CPHA = 0：数据在第一个跳变沿（上升沿）采样
    在这里插入图片描述
  2. 模式1（CPOL = 0， CPHA = 1）
    CPOL = 0：空闲时是低电平，第一个跳变沿是上升沿，第二个跳变沿是下降沿
    CPHA = 1：数据在第二个跳变沿（下降沿）采样
    在这里插入图片描述
  3. 模式2（CPOL = 1， CPHA = 0）
    CPOL = 1：空闲时是高电平，第一个跳变沿是下降沿，第二个跳变沿是上升沿
    CPHA = 0：数据在第一个跳变沿（下降沿）采样
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  4. 模式3（CPOL = 1， CPHA = 1）
    CPOL = 1：空闲时是高电平，第一个跳变沿是下降沿，第二个跳变沿是上升沿
    CPHA = 1：数据在第二个跳变沿（上升沿）采样
    在这里插入图片描述

FLASH 简介

实验使用的 FLASH 芯片型号为W25Q128，它是华邦公司推出的一款的 NOR FIash 芯片，其存储空间为128 Mbit，相当于16MB，支持 Standard SPI、Dual SPI 和 Quad SPI 三种 SPI 协议通信方式，最大传输数据速率可达104MHZ，如下是芯片的引脚示意图：
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存储结构

整个存储阵列被分成被为 256 给我块，每个块又分为 16 个扇区，每个扇区由分为 16 个页，每页包含 256 个字节。
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操作指令

在这里插入图片描述在这里插入图片描述
FLASH 操作指令有很多，其中常用的有读ID指令（0x9F）、写使能指令（0x06）、扇区擦除指令（每次擦除4KB，0x20）、全擦除指令（0xC7）、读指令（0x03）、写指令（又叫页编程，0x02）、读状态寄存器1指令（0x05）。

FLASH 操作时序

  1. 读ID指令
    在操作 FLASH 之前应读取其ID，校验 FLASH 型号，如下是读 ID 的时序：
    在这里插入图片描述
  2. 写使能指令
    在进行擦除、写入操作前需要先发送写使能指令，其时序如下：
    在这里插入图片描述
  3. 扇区擦除指令
    W25Q128在写数据时只能将1修改为0，所以在写入新数据之前必须要进行擦除操作，将FLASH中的存储单元全部设置为1，如下是扇区擦除时序：
    在这里插入图片描述
  4. 全擦除指令
    除了扇区擦除指令外，还有全擦除指令，其时序如下：
    在这里插入图片描述
  5. 读指令
    读取 FLASH 一次可以读取多个字节，其时序如下：
    在这里插入图片描述
  6. 写指令
    向 FLASH 写入数据时不能跨页（页大小256B），若需要写入多页或者写入数据跨页则需要分多次写入，如下是写入数据的时序：
    在这里插入图片描述
  7. 读状态寄存器1指令
    在进行擦除、写入操作后需要轮询状态寄存器0的bit0，以检查擦除或写入操作是否结束（全擦除指令耗时很长），如下是读状态寄存器的时序：
    在这里插入图片描述

硬件设计

FLASH 芯片的硬件原理图较为简单，芯片本身就 8 个引脚，其原理图如下：
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代码编写

代码一共分为3个模块，分别是 SPI 驱动模块、FLASH 驱动模块、FLASH 读写测试模块，其功能如下：
SPI 驱动模块；提供 SPI 总线收发数据的功能。
FLASH 驱动模块；基于 SPI 驱动模块实现 FLASH 的一些基本操作，如读 ID、写使能、写、擦除、读、读状态寄存器等。
FLASH 读写测试模块；利用 FLASH 驱动模块提供的 FLASH 基本操作进行 FLASH 读ID、擦除、写、读等测试，测试过程中状态 LED 常灭，测试出错状态 LED闪烁，测试完成状态 LED 常亮。

SPI 驱动模块

module spi_driver #(
	parameter SPI_CS_MAX = 1,					//片选数量
	parameter SPI_BITS = 8,						//SPI位宽
	parameter SPI_CLK_PERIOD = 4,				//SPI时钟周期，以系统时钟为参考，最小为4
	parameter SPI_MODE = 0,						//SPI模式
	parameter ALMOST_DONE_ADVANCE = 0,			//即将传输完成信号提前输出时间，小于SPI_CLK_PERIOD-1
	parameter ALMOST_IDLE_ADVANCE = 0			//即将空闲信号提前输出时间，小于SPI_CLK_PERIOD-1
)
(
	input sys_rst_n,							//系统复位
	input sys_clk,								//系统时钟

	input [SPI_BITS-1:0] tx_data,				//需要发送的数据
	input tr_start,								//启动传输

	output reg [SPI_BITS-1:0] rx_data,			//接收到的数据
	output reg tr_done,							//传输完成
	output reg almost_tr_done,					//传输即将完成

	output tr_idle,								//SPI空闲
	output reg almost_tr_idle,					//SPI即将空闲

	input [SPI_CS_MAX-1:0] sel_cs,				//片选设置

	output spi_clk,								//SPI时钟
	output spi_mosi,							//SPI MOSI
	input spi_miso,								//SPI MISO
	output [SPI_CS_MAX-1:0] spi_cs				//SPI片选
);

//SPI时钟周期，只能是偶数分频
localparam CLK_PERIOD = (SPI_CLK_PERIOD / 2 * 2);

//spi传输忙标志
reg tr_busy;

//SPI时钟周期计数器，按SPI时钟周期进行计数
reg [15:0] clk_period_count;

//传输bit计数
reg [7:0] bit_cnt;

//发送移位寄存器
reg [SPI_BITS-1:0] tx_shift_reg;
//接收移位寄存器
reg [SPI_BITS-1:0] rx_shift_reg;


//空闲标志
assign tr_idle = ~tr_busy;

//启动SPI传输
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		tr_busy <= 1'b0;
	else if((tr_start == 1'b1) && (tr_busy == 1'b0))
		tr_busy <= 1'b1;
	else if((tr_busy == 1'b1) && (bit_cnt == (SPI_BITS - 1)) && (clk_period_count == (CLK_PERIOD - 1)))
		tr_busy <= 1'b0;
end

//SPI即将空闲
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		almost_tr_idle <= 1'b1;
	else if((tr_start == 1'b1) && (almost_tr_idle == 1'b1))
		almost_tr_idle <= 1'b0;
	else if((almost_tr_idle == 1'b0) && (bit_cnt == (SPI_BITS - 1)) && (clk_period_count == (CLK_PERIOD - 1 - ALMOST_IDLE_ADVANCE)))
		almost_tr_idle <= 1'b1;
end

//按SPI时钟周期进行计数
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		clk_period_count <= 0;
	else if(tr_busy == 1'b1)
		if(clk_period_count < (CLK_PERIOD - 1))
			clk_period_count <= clk_period_count + 1;
		else
			clk_period_count <= 0;
	else
		clk_period_count <= 0;
end

//进行传输计数
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		bit_cnt <= 0;
	else if(tr_busy == 1'b1) begin
		if(clk_period_count == (CLK_PERIOD - 1)) begin
			if(bit_cnt < (SPI_BITS - 1))
				bit_cnt <= bit_cnt + 1;
		end
	end
	else
		bit_cnt <= 0;
end

//输出接收到的数据，接收完最后1bit时输出
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n) begin
		rx_data <= 0;
		tr_done <= 0;
	end
	else if((tr_busy == 1'b1) && (bit_cnt == (SPI_BITS - 1)) && (clk_period_count == (CLK_PERIOD - 1))) begin
		rx_data <= rx_shift_reg;
		tr_done <= 1;
	end
	else
		tr_done <= 0;
end

//输出传输完成预告
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		almost_tr_done <= 0;
	else if((tr_busy == 1'b1) && (bit_cnt == (SPI_BITS - 1)) && (clk_period_count == (CLK_PERIOD - 1 - ALMOST_DONE_ADVANCE)))
		almost_tr_done <= 1;
	else
		almost_tr_done <= 0;
end

generate
	if(SPI_MODE == 0) begin
		//输出SPI时钟，模式0
		//时钟默认为低电平，工作时前半段为低电平，后半段为高电平
		assign spi_clk = ((tr_busy == 1'b1) && (clk_period_count > (CLK_PERIOD / 2 - 1))) ? 1'b1 : 1'b0;
	end
	else if(SPI_MODE == 1) begin
		//输出SPI时钟，模式1
		//时钟默认为低电平，工作时前半段为高电平，后半段为低电平
		assign spi_clk = ((tr_busy == 1'b1) && (clk_period_count <= (CLK_PERIOD / 2 - 1))) ? 1'b1 : 1'b0;
	end
	else if(SPI_MODE == 2) begin
		//输出SPI时钟，模式2
		//时钟默认为高电平，工作时前半段为高电平，后半段为低电平
		assign spi_clk = ((tr_busy == 1'b1) && (clk_period_count > (CLK_PERIOD / 2 - 1))) ? 1'b0 : 1'b1;
	end
	else begin
		//输出SPI时钟，模式3
		//时钟默认为高电平，工作时前半段为高电平，后半段为低电平
		assign spi_clk = ((tr_busy == 1'b1) && (clk_period_count <= (CLK_PERIOD / 2 - 1))) ? 1'b0 : 1'b1;
	end
endgenerate

//启动时锁定数据，随后进行发送数据移位操作
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		tx_shift_reg <= (1 << SPI_BITS) - 1;
	else if((tr_start == 1'b1) && (tr_busy == 1'b0))
		tx_shift_reg <= tx_data;
	else if((tr_busy == 1'b1) && (bit_cnt < (SPI_BITS - 1)) && (clk_period_count == (CLK_PERIOD - 1)))
		tx_shift_reg <= {
   tx_shift_reg[6:0], tx_shift_reg[7]};
end
//输出SPI MOSI
assign spi_mosi = tx_shift_reg[7];

//采样SPI MOSI
//在时钟周期的3/4处采样
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n)
		rx_shift_reg <= 0;
	else if(tr_busy == 1'b1) begin
		if(clk_period_count == (CLK_PERIOD - CLK_PERIOD / 4 - 1))
			rx_shift_reg = {
   rx_shift_reg[6:0], spi_miso};
	end
	else
		rx_shift_reg <= 0;
end

//输出片选信号
assign spi_cs = sel_cs;

endmodule

FLASH 驱动模块

module flash_driver  #(
	parameter SPI_CLK_PERIOD = 4,
	parameter SPI_CS_DELAY = 500,
	parameter DATA_REQ_ADVANCE = 1
)
(
	input sys_rst_n,
	input sys_clk,

	input flash_start,
	input [7:0] flash_cmd,
	input [24:0] flash_addr,

	input [8:0] wr_data_len,
	input [7:0] wr_data,
	output wr_data_req,

	input [8:0] rd_data_len,
	output [7:0] rd_data,
	output rd_data_flag,

	output reg [23:0] flash_id,
	output reg flash_id_flag,

	output reg [7:0] flash_sr_reg,
	output reg flash_sr_reg_flag,

	output flash_idle,

	output spi_clk,
	output spi_mosi,
	input spi_miso,
	output spi_cs
);

//状态机的状态
localparam IDLE_STATE = 8'h01;			//空闲状态
localparam RDID_STATE = 8'h02;			//读FLASH ID状态
localparam WREN_STATE = 8'h04;			//写使能状态
localparam SSE_STATE = 8'h08;			//子扇区擦除状态
localparam BE_STATE = 8'h10;			//全擦除
localparam READ_STATE = 8'h20;			//读状态
localparam PP_STATE = 8'h40;			//写状态(页编程)
localparam RDSR_STATE = 8'h80;			//读状态寄存器状态

//指令集
localparam RDID_CMD = 8'h9f;			//读ID指令
localparam WREN_CMD = 8'h06;			//写使能指令
localparam SSE_CMD = 8'h20;				//子扇区擦除指令
localparam BE_CMD = 8'hc7;				//全擦除指令
localparam READ_CMD = 8'h0b;			//读指令
localparam PP_CMD = 8'h02;				//写指令(页编程)
localparam RDSR_CMD = 8'h05;			//读状态寄存器指令

//传输计数
reg [15:0] tx_count;
reg [15:0] rx_count;

//当前状态
reg [7:0] current_state;
//下一刻的状态
reg [7:0] next_state;
//当前状态结束标志，切换到下一个状态
reg state_done;

//片选前延时
reg [16:0] cs_front_delay_count;
//片选后延时
reg [16:0] cs_back_delay_count;
//指令操作延时，部分命令发送完成后需要延时
reg [16:0] cmd_back_ddelay_count;

//SPI需要发送的数据
reg [7:0] spi_tx_data;
//启动SPI发送
reg spi_tr_start;
//SPI片选控制
reg spi_ctrl_cs;

//SPI接收到的数据
wire [7:0] spi_rx_data;
//SPI传输完成
wire spi_tr_done;
//SPI即将传输完成
wire spi_almost_tr_done;

//SPI空闲
wire spi_tr_idle;
//SPI即将空闲
wire spi_almost_tr_idle;

//状态跳转
always @(posedge sys_clk)begin
	if(!sys_rst_n)
		current_state <= IDLE_STATE;
	else
		current_state <= next_state;
end

//根据当前状态确定下一刻状态
always @(*)begin
	case(current_state)
		IDLE_STATE: begin
			if((state_done == 1'b0) && (flash_start == 1'b1) && (flash_cmd == RDID_CMD))
				next_state = RDID_STATE;
			else if((state_done == 1'b0) && (flash_start == 1'b1) && (flash_cmd == WREN_CMD))
				next_state = WREN_STATE;
			else if((state_done == 1'b0) && (flash_start == 1'b1) && (flash_cmd == SSE_CMD))
				next_state = SSE_STATE;
			else if((state_done == 1'b0) && (flash_start == 1'b1) && (flash_cmd == BE_CMD))
				next_state = BE_STATE;
			else if((state_done == 1'b0) && (flash_start == 1'b1) && (flash_cmd == READ_CMD))
				next_state = READ_STATE;
			else if((state_done == 1'b0) && (flash_start == 1'b1) && (flash_cmd == PP_CMD))
				next_state = PP_STATE;
			else if((state_done == 1'b0) && (flash_start == 1'b1) && (flash_cmd == RDSR_CMD))
				next_state = RDSR_STATE;
			else
				next_state = IDLE_STATE;
		end
		RDID_STATE: begin
			if(state_done == 1'b1)
				next_state = IDLE_STATE;
			else
				next_state = RDID_STATE;
		end
		WREN_STATE: begin
			if(state_done == 1'b1)
				next_state = IDLE_STATE;
			else
				next_state = WREN_STATE;
		end
		SSE_STATE: begin
			if(state_done == 1'b1)
				next_state = IDLE_STATE;
			else
				next_state = SSE_STATE;
			end
		BE_STATE: begin
			if(state_done == 1'b1)
				next_state = IDLE_STATE;
			else
				next_state = BE_STATE;
		end
		READ_STATE: begin
			if(state_done == 1'b1)
				next_state = IDLE_STATE;
			else
				next_state = READ_STATE;
		end
		PP_STATE: begin
			if(state_done == 1'b1)
				next_state = IDLE_STATE;
			else
				next_state = PP_STATE;
		end
		RDSR_STATE: begin
			if(state_done == 1'b1)
				next_state = IDLE_STATE;
			else
				next_state = RDSR_STATE;
		end
		default:
			next_state = IDLE_STATE;
	endcase
end

//空闲标志输出
assign flash_idle = ((current_state == IDLE_STATE) && (state_done == 1'b0)) ? 1'b1 : 1'b0;

//进行计数器计数，输出延时信号
always @(posedge sys_clk) begin
	if(!sys_rst_n) begin
		cs_front_delay_count <= 0;
		cs_back_delay_count <= 0;
		cmd_back_ddelay_count <= 0;
		state_done <= 1'b0;
	end
	else begin
		case(current_state)
			IDLE_STATE: begin
				cs_front_delay_count <= 0;
				cs_back_delay_count <= 0
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qspi flash基础介绍，3字节4字节的理解和应用
SPI协议详细总结附实例图文讲解通信过程（快速掌握）
Luckiers的博客
06-20 2万+
SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口) 协议是一种高速高效率、全双工的通信总线，允许CPu与低速的外围设备之间进行同步串行数据的传输，主要是用同步的时钟信号对串行的数据同时进行发送和接收操作，从而实现全双工。常用于短距离通讯，主要是在嵌入式系统中。SPI接口在芯片内部只占用四根线，主要有两条数据线、一根片选线和一根时钟信号线。这四根线分别对应SPI协议传输时的四种信号，分别有主机输出信号MOSI、从机输入信号MISO、片选信号sS n以及输出的时钟信号SCK。
SPI NAND FLASH小结
u011280717的博客
07-12 1万+
文章目录1 SPI NAND接口2 寻址常用型号3 Feature寄存器MX35LFxGE4AB4 读时序 1 SPI NAND接口 一般来说，SPI的接口就是6个IO，CS, CLK, SI, SO, WP, HOLD。 IO位数 输入 输出 Single SI SO Dual SI SI(IO0), SO(IO1) Quad SI SI(IO0), SO(IO1), ...
NOR FLASH闪存芯片ID应用之软件保护场景
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08-07 1517
其实就是单片机在执行对25系列芯片的读写工作时需要先检查该芯片是不是单片机程序预先设定的厂商芯片（程序开发人员预设），假如检测到25系列的芯片ID不是预设的厂商ID则单片机终止读写工作，也就造成我们通常说的无法识别的情况。每个厂家的25系列nor flash闪存芯片（华邦，旺宏，gd等都会有自己的厂商ID注明，在产品应用时，可以选择需要识别厂商ID和忽略厂商ID。知道的小伙伴可以留言评论看看。则是单片机读写时不需要核对存储芯片的ID，直接读取内部存储数据，针对这种客户，所有对应的存储芯片都是可以使用的。..
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