基于FPGA的SPI Flash控制器的設計方案

　　本文提出一個基于FPGA的SPI Flash讀寫硬件實現方案，該方案利用硬件對SPI Flash進行控制，能夠非常方便地完成Flash的讀寫、擦除、刷新及預充電等操作，同時編寫的SPI Flash控制器IP核能夠進行移植和復用，作為SOC芯片的功能模塊。SPI Flash控制器采用VHDL語言進行編寫，在Modelsim 6.5g上通過功能仿真，并且在XUPV5-LX110TFPGA開發(fā)板上通過硬件測試，實現結果表明方案的可行性。

　　1.引言

　　Flash是一種具有電可擦除的可編程ROM，按接口可以分為兩大類：并行Flash和串行 Flash.并行Flash存儲量大，速度快；而串行Flash存儲量相對較小，但體積小，連線簡單，可減小電路面積，節(jié)約成本。SPI Flash是內嵌SPI總線接口的串行Flash，它比起傳統的并行總線接口Flash，節(jié)省了很多的I/O口資源，從而為系統功能的擴展提供了更多的可能。

　　隨著SPI Flash越來越多地應用到各種領域，其傳統讀寫方式中讀寫速度不夠快、占用CPU資源以及操作不夠簡便靈活的缺點表現得更為突出，如何解決以上問題成為大家關注的焦點。利用硬件對SPI Flash進行控制，能夠非常方便地完成Flash的讀寫、擦除、刷新及預充電等操作，且不占用CPU資源，同時編寫的SPI Flash控制器IP核能夠進行移植和復用，作為SOC芯片的功能模塊。因此提出了一種基于FPGA的SPI Flash控制器的設計方案，并用VHDL實現。編寫的SPI Flash控制器IP核在Modelsim 6.5g上進行了功能仿真，在FPGA開發(fā)板上進行了測試驗證，可作為功能模塊應用于SOC芯片設計。

　　2.SPI Flash控制器設計

　　2.1 SPI Flash芯片選擇

　　本方案SPI Flash芯片采用GigaDevice公司的GD25Q系列，GD25Q系列SPI Flash包括4Mbit的GD25Q40，2M bit的GD25Q20，1M bit的GD25Q10以及521K bit的GD25Q512，這里將采用512K bit的GD25Q512.圖1為GD25Q系列SPIFlash（SOP8封裝）引腳排列圖。其中VCC和VSS分別為電源和地，其他6個引腳均可直接與F P G A的I / O引腳相連；寫保護引腳W P #和HOLD#掛起引腳用于數據保護和空閑模式的低功耗運行，若不使用可將其置為高電平；CS#為片選信號，低電平時表示器件被選中，反之工作在待機狀態(tài)；SO為串行數據輸出，數據在時鐘的下降沿輸出到Flash器件；SI為串行數據輸入，包括傳輸指令、地址和輸入數據，輸入信號在時鐘的上升沿鎖存到 Flash器件中。SCLK為串行時鐘，由FPGA提供。

　　2.2 SPI Flash指令操作

　　GDQ25系列SPI Flash指令較多，所有指令都是8位，操作時先將片選信號CS#拉低選中器件，然后輸入8位操作指令字節(jié)，串行數據在片選信號CS#拉低后的第一個時鐘的上升沿被采樣，SPI Flash啟動內部控制邏輯，自動完成相應操作。有些操作在輸入指令后需要輸入地址字節(jié)和偽字節(jié)，最后操作完成后再將片選信號拉高。

　　2.3 SPI Flash控制器設計原理

　　SPI Flash控制器必須能夠產生SPI Flash芯片執(zhí)行各操作（如寫使能、刷新、預充電、讀芯片ID、讀取狀態(tài)寄存器、寫狀態(tài)寄存器、扇區(qū)擦除、塊擦除、整體擦除、讀取數據、快速讀取數據、頁面編程）時所需指令時序，用戶只需要輸入對應操作的8位指令值及對應的操作地址值，SPI接口與SPI Flash的數據傳輸將由SPI Flash控制器內部狀態(tài)機控制執(zhí)行。

　　3.SPI Flash控制器實現

　　3.1 SPI Flash測試系統

　　本文設計的SPI Flash測試系統由用戶端、FPGA和SPI Flash構成，系統框圖如圖2所示，其中FPGA選用Xilinx公司Virtex5系列芯片（Virtex-5 XC5VLX110T），SPI Flash芯片采用GigaDevice公司的GD25Q系列512K bit容量的GD25Q512.

　　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據（包括指令字節(jié)、地址字節(jié)和數據字節(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據轉換成并行數據送給用戶端。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）、傳輸低字節(jié)地址狀態(tài)（TxADD_L）、傳輸偽字節(jié)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(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?？紤]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）。