基于FPGA的SPI Flash控制器的設計方案

　　SPI Flash控制器由VHDL編寫(xiě)，主要為SPIFlash芯片提供串行時(shí)鐘，將從用戶(hù)端輸入的數據（包括指令字節、地址字節和數據字節）寄存起來(lái)并在串行時(shí)鐘的控制下通過(guò)spi_dout信號線(xiàn)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據轉換成并行數據送給用戶(hù)端。此外，SPI Flash控制器還必須在用戶(hù)通過(guò)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，并在這些控制信號的作用下根據狀態(tài)機的轉換方向進(jìn)行動(dòng)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(jìn)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）、傳輸高字節地址狀態(tài)（TxADD_H）、傳輸中間字節地址狀態(tài)（TxADD_M）、傳輸低字節地址狀態(tài)（TxADD_L）、傳輸偽字節狀態(tài)（TxDummy）、傳輸數據狀態(tài)（TxDATA）和接收數據狀態(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，當一條指令執行完畢時(shí)需要將指令寄存器清空，以便接收下一條用戶(hù)指令，所以設定一個(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)。當狀態(tài)機進(jìn)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(jìn)入IDLE狀態(tài)時(shí)，用戶(hù)可輸入下一操作指令，對SPI Flash進(jìn)行下一操作?？紤]到SPI Flash的響應時(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控制器驗證

　　SPI Flash控制器IP核在Modelsim 6.5g上能夠通過(guò)功能仿真，下面分析一下SPI Flash頁(yè)面編程操作及數據讀取操作的功能仿真。

　　4.1 頁(yè)面編程操作

　　頁(yè)面編程操作仿真波形如圖3所示，圖中截取輸入00H和01H數據的波形，最多可連續輸入一頁(yè) 256字節數據。當用戶(hù)輸入頁(yè)面編程指令02H，狀態(tài)機進(jìn)入txcmd狀態(tài)，頁(yè)編程指令02H通過(guò)spi_dout傳輸給SPI Flash.當tx_bit_cnt計數到8時(shí)，指令傳輸完畢，狀態(tài)機在等待后進(jìn)入txadd_h狀態(tài)，同時(shí)tx_bit_cnt被清零，需寫(xiě)入數據的對應存儲空間的起始地址高字節值89H被傳輸。當tx_bit_cnt計數到8時(shí)，高字節地址值89H被傳輸完畢，狀態(tài)機在等待后進(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(jìn)入 wait6狀態(tài)，等待用戶(hù)輸入需寫(xiě)入SPI Flash的數據。當用戶(hù)設定{sel，addr，wr}為10001b，狀態(tài)機進(jìn)入txdata狀態(tài)，同時(shí)tx_new_data被置高，表示要傳輸新寫(xiě)入的數據。在txdata狀態(tài)下，控制器將傳輸寫(xiě)入的第1字節數據00H，當tx_bit_cnt計數到8時(shí)，第1字節數據00H被傳輸完畢，tx_new_data被拉低，tx_empty被拉高，表示當前沒(méi)有可傳輸的數據，狀態(tài)機進(jìn)入wait6狀態(tài)，等待新數據寫(xiě)入。直到用戶(hù)再次設定 {sel，addr，wr}為10001b，狀態(tài)機再次進(jìn)入txdata狀態(tài)，同時(shí)tx_new_data被置高，表示寫(xiě)入的第2字節數據01H將要傳輸。當tx_bit_cnt計數到8，第2字節數據傳輸完畢，tx_new_data被拉低，tx_empty被拉高，狀態(tài)機進(jìn)入wait6狀態(tài)。由于 GDQ25系列SPI Flash頁(yè)面編程一次最多可寫(xiě)入256字節數據，所以用戶(hù)在寫(xiě)入數據時(shí)，應注意最多寫(xiě)入256次數據，否則超過(guò)的數據將覆蓋開(kāi)始的數據。當狀態(tài)機處于 wait6狀態(tài)而用戶(hù)想結束頁(yè)面編程時(shí)，可向控制器輸入NOP指令強制結束當前頁(yè)面編程操作。狀態(tài)機在接收到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(lái)。當頁(yè)面編程操作還沒(méi)結束時(shí)，busy將一直被置高。

　　4.2 數據讀取操作

　　讀數據指令仿真波形如圖4所示。當用戶(hù)輸入讀數據指令03H，狀態(tài)機進(jìn)入txcmd狀態(tài)，讀數據指令通過(guò)spi_dout傳輸給SPI Flash。

　　當tx_bit_cnt計數到8時(shí)，指令傳輸完畢，狀態(tài)機等待后進(jìn)入txadd_h狀態(tài)，傳輸要讀出數據所在存儲空間起始地址的高字節，同時(shí)tx_bit_cnt清零，以為下一個(gè)傳