基于FPGA的SPI Flash控制器的設計方案

　　SPI Flash控制器由VHDL編寫，主要為SPIFlash芯片提供串行時鐘，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鐘的控制下通過spi_dout信號線逐位輸出到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)出的操作命令下產生一系列的控制信號，并在這些控制信號的作用下根據(jù)狀態(tài)機的轉換方向進行動作并且輸出相應的結果。

　　3.2 SPI Flash控制器控制狀態(tài)機

　　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)機進行控制能夠準確有條理地完成對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，當一條指令執(zhí)行完畢時需要將指令寄存器清空，以便接收下一條用戶指令，所以設定一個清除指令狀態(tài)（CLR_CMD）作為每一操作完成后的收尾狀態(tài)。當狀態(tài)機進入CLR_CMD狀態(tài)后，表示當前操作已經(jīng)完成，正將指令寄存器指令值清空；當狀態(tài)機進入IDLE狀態(tài)時，用戶可輸入下一操作指令，對SPI Flash進行下一操作。考慮到SPI Flash的響應時間，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)。當用戶輸入頁面編程指令02H，狀態(tài)機進入txcmd狀態(tài)，頁編程指令02H通過spi_dout傳輸給SPI Flash.當tx_bit_cnt計數(shù)到8時，指令傳輸完畢，狀態(tài)機在等待后進入txadd_h狀態(tài)，同時tx_bit_cnt被清零，需寫入數(shù)據(jù)的對應存儲空間的起始地址高字節(jié)值89H被傳輸。當tx_bit_cnt計數(shù)到8時，高字節(jié)地址值89H被傳輸完畢，狀態(tài)機在等待后進入txadd_m狀態(tài)，同時tx_bit_cnt被清零，同上，地址中間字節(jié)67H和45H被傳輸。當add_h、add_m和add_l寄存器的值依次傳輸完畢，狀態(tài)機進入 wait6狀態(tài)，等待用戶輸入需寫入SPI Flash的數(shù)據(jù)。當用戶設定{sel，addr，wr}為10001b，狀態(tài)機進入txdata狀態(tài)，同時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tx_bit_cnt計數(shù)到8時，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，表示當前沒有可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，狀態(tài)機進入wait6狀態(tài)，等待新數(shù)據(jù)寫入。直到用戶再次設定 {sel，addr，wr}為10001b，狀態(tài)機再次進入txdata狀態(tài)，同時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tx_bit_cnt計數(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)機進入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，應注意最多寫入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)。當狀態(tài)機處于 wait6狀態(tài)而用戶想結束頁面編程時，可向控制器輸入NOP指令強制結束當前頁面編程操作。狀態(tài)機在接收到NOP指令后將進入clr_cmd狀態(tài)和 idle空閑態(tài)，等待下一條指令的到來。當頁面編程操作還沒結束時，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。當用戶輸入讀數(shù)據(jù)指令03H，狀態(tài)機進入txcmd狀態(tài)，讀數(shù)據(jù)指令通過spi_dout傳輸給SPI Flash。

　　當tx_bit_cnt計數(shù)到8時，指令傳輸完畢，狀態(tài)機等待后進入txadd_h狀態(tài)，傳輸要讀出數(shù)據(jù)所在存儲空間起始地址的高字節(jié)，同時tx_bit_cnt清零，以為下一個傳