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今天給大俠帶來基于FPGA的內(nèi)存128M flash芯片控制器設(shè)計(jì)，話不多說，上貨。 ? ? 設(shè)計(jì)原理及思路
FLASH閃存?閃存的英文名稱是"Flash Memory"，一般簡稱為"Flash"，它屬于內(nèi)存器件的一種，是一種不揮發(fā)性( Non-Volatile )內(nèi)存。
閃存的物理特性與常見的內(nèi)存有根本性的差異:目前各類 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都屬于揮發(fā)性內(nèi)存，只要停止電流供應(yīng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便無法保持，因此每次電腦開機(jī)都需要把數(shù)據(jù)重新載入內(nèi)存;閃存在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲特性相當(dāng)于硬盤，這項(xiàng)特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲介質(zhì)的基礎(chǔ)。
本次設(shè)計(jì)使用的是 W25Q128FV 內(nèi)存128M的flash芯片，大家可以自己在官網(wǎng)上下載器件手冊。在這里為了方便，也提供給各位，需要使用的可以在公眾號內(nèi)部回復(fù)“W25Q128FV手冊資料”，各位可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用靈活設(shè)計(jì)。
這款flash芯片的的存儲是一個扇區(qū)4KB，一個扇區(qū)可以存256個字，一個字是8位，一個塊是64KB，一共有256個塊組成一個存儲flash內(nèi)存。
在下面的講解中，將主要講實(shí)現(xiàn)一下字節(jié)的讀寫，本次設(shè)計(jì)使用的協(xié)議是SPI協(xié)議，這個芯片支持QSPI，雙端口SPI等。flash有三個狀態(tài)寄存器，每一個狀態(tài)寄存器的每一位都有各自的功能。大家可以具體的看器件手冊，首先給大家簡單的講一下第一個狀態(tài)寄存器。
這個狀態(tài)寄存器第一位是可讀、忙和不忙的標(biāo)志位，大家可以在我們的設(shè)計(jì)中判斷芯片是否忙和不忙來是否進(jìn)行下一步的操作。第二位是一個寫標(biāo)志的信號，當(dāng)寫使能打開的時候它為1，只有它為1的時候我們才可以進(jìn)行寫，值得一說的不管是頁操作，還是擦除等命令后都會使這個標(biāo)志位變成0。然后前面的命令算的上的是保護(hù)命令，具體有使用的邏輯功能。
在flash中，寫數(shù)據(jù)前先要擦除數(shù)據(jù)（想要擦除的地方），然后進(jìn)行寫，如果沒有用過的flash芯片的話那么可以不用擦除，因?yàn)閒lash掉電不丟失數(shù)據(jù)。
設(shè)計(jì)思路大概是先讀出器件廠商和芯片ID，然后寫命令，寫使能打開，頁操作寫入數(shù)據(jù)(值得說明的是我們FLASH是新的所以沒進(jìn)行擦除命令，建議擦除---關(guān)閉寫使能 -- 打開寫使能)，然后讀第一個寄存器判斷芯片的第一位是否忙，不忙然后進(jìn)行讀操作之后再數(shù)碼管上顯示出我們寫入的數(shù)據(jù)。
部分操作命令如下：
我們的發(fā)送格式為在時鐘的上升沿寫入命令，在時鐘的下降沿讀出命令，用的是標(biāo)準(zhǔn)的SPI協(xié)議，端口IO0，和IO1，都是單向的。
寫使能時序：
讀使能時序：
其他的時序在這里就不分別列舉出來了，大家可以參考器件手冊。
設(shè)計(jì)架構(gòu)
本次的設(shè)計(jì)是用一個FSM控制器來控制發(fā)送什么命令，flash模塊判斷FSM發(fā)送過來的state信號來選擇應(yīng)該執(zhí)行什么操作，當(dāng)命令寫入或者讀出后，會發(fā)送一個flag_done命令，這個命令讓我們判斷上個指令是否完成，如果完成后FAM將發(fā)送下一個命令?？傮w架構(gòu)圖如下：
設(shè)計(jì)代碼
頂層模塊 flash_top 代碼：
?
?
module flash_top(clk , rst_n, q0, q1, sclk, cs, seg, sel); input clk, rst_n; input q0; output q1; output sclk; output cs; output [5:0] sel; output [7:0] seg; wire [7:0] command; wire [23:0] addr; wire [2:0] state; wire [7:0] data; wire [23:0] show_data; wire flag_done; flash flash_dut( .clk(clk) , .rst_n(rst_n), .q0(q0), .q1(q1), .sclk(sclk), .cs(cs), .command(command), .addr(addr), .state(state), .data(data), .show_data(show_data), .flag_done(flag_done) ); fsm fsm_dut( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .flag_done(flag_done), .command(command), .addr(addr), .state(state), .data(data) ); seg seg_dut( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .sel(sel), .seg7(seg), .data_in(show_data) ); endmodule?
?
?
設(shè)計(jì)模塊 fsm?代碼：
?
?
module fsm(clk, rst_n, flag_done, command, addr, state, data);
input clk, rst_n;
input flag_done; //輸入標(biāo)志位
output reg [7:0] command; //輸出命令
output reg [23:0] addr; //輸出地址
output reg [2:0] state; //輸出狀態(tài)模式
output reg [7:0] data; //輸出寫入數(shù)據(jù)
reg [2:0] state_s;
reg [20:0] count;
always @ (posedge clk)
if(!rst_n)
begin
state_s <= 0;
data <= 8'd0;
addr <= 24'd0;
command <= 8'd0;
state <= 0;
count <= 0;
end
else
case (state_s)
0 : begin
if(count < 200) //延遲一段時間
count <= count + 1;
else
begin //發(fā)送讀廠商ID的命令
command <= 8'h90;
addr <= 24'd0;
state <= 1;
count <= 1;
end
if(flag_done) //檢查是否完成
state_s <= 1;
end
1 : begin
if(count < 200) //延遲一段時間
count <= count + 1;
else
begin //寫使能
command <= 8'h06;
state <= 3;
count <= 0;
end
if(flag_done) //檢查是否完成
state_s <= 2;
end
2 : begin
if(count < 200) //延遲一段時間
count <= count + 1;
else
begin //頁操作
command <= 8'h02;
addr <= 24'd0;
state <= 4;
data <= 8'haa;
count <= 0;
end
if(flag_done) //檢查是否完成
state_s <= 3;
end
3 : begin
if(count < 200) //延遲一段時間
count <= count + 1;
else
begin //讀寄存器
command <= 8'h05;
count <= 0;
state <= 5;
end
if(flag_done) //檢查是否完成
state_s <= 4;
end
4 : begin
if(count < 200) //延遲一段時間
count <= count + 1;
else
begin //讀數(shù)據(jù)
command <= 8'h03;
addr <= 24'd0;
state <= 2;
count <= 0;
end
end
default: state_s <= 0;
endcase
endmodule
?
?
中間模塊flash代碼：
?
?
module flash (clk , rst_n, q0, q1, sclk, cs, command, addr, state, data, show_data, flag_done); input clk, rst_n; input q0; output reg q1; output reg sclk; output reg cs; input [7:0] command; //輸入命令 input [23:0] addr; //地址 input [2:0] state; //狀態(tài) input [7:0] data; //數(shù)據(jù) output reg [23:0] show_data; //顯示 output reg flag_done; //命令完成標(biāo)志 reg [5:0] count; reg [5:0] cnt; reg [31:0] temp; reg [15:0] d; reg [5:0] count_s; reg [7:0] dou; reg [39:0] xie; reg [7:0] r_reg; always @ (posedge clk) if(!rst_n) begin sclk <= 1; count_s <= 0; end else if(cs) begin count_s <= 0; sclk <= 1; end else begin if(count_s == 25 - 1) //產(chǎn)生1M的時鐘 begin count_s <= 0; sclk <= ~sclk; end else count_s <= count_s + 1; end reg [1:0] signle_s; //邊沿檢測電路 always @ (posedge clk or negedge rst_n) if(!rst_n) begin signle_s <= 2'b11; end else begin signle_s[0] <= sclk; signle_s[1] <= signle_s[0]; end assign pose_dge = signle_s[0] && ~signle_s[1]; //上升沿脈沖 assign nege_dge = ~signle_s[0] && signle_s[1]; //下降沿脈沖 reg [1:0] s; reg [1:0] s1,s2,s3,s4; always @ (posedge clk or negedge rst_n) if(!rst_n) begin q1 <= 0; count <= 0; cs <= 1; temp <= 0; d <= 0; cnt <= 0; s <= 0; s1 <= 0; s2 <= 0; s3 <= 0; flag_done <= 0; s4 <= 0; end else begin if (state == 1) //state == 1進(jìn)入讀芯片的廠商和ID case (s) 0: begin cs <= 0; temp <= {command,addr}; s <= 1; end 1 : begin if(nege_dge) //下降沿發(fā)送數(shù)據(jù) begin if(count < 32) begin q1 <= temp[31]; count <= count + 1; temp <= {temp[30:0],temp[31]}; end else begin count <= 0; s <= 2; end end else q1 <= q1; end 2 : begin if(pose_dge) //上升沿采集數(shù)據(jù) begin if(count < 16) begin count <= count + 1; d <= {d[14:0],q0}; end else begin s <= 3; cs <= 1; count <= 0; flag_done <= 1; show_data <= d; end end else begin s <= 2; end end 3 : begin flag_done <= 0; end endcase else if(state == 2) //state == 2進(jìn)入讀模式 case (s1) 0: begin cs <= 0; temp <= {command,addr}; s1 <= 1; end 1 :begin if(nege_dge) begin if(count < 32) begin q1 <= temp[31]; count <= count + 1; temp <= {temp[30:0],temp[31]}; end else begin count <= 0; s1 <= 2; end end else q1 <= q1; end 2 : begin if(pose_dge) begin if(count < 8) begin count <= count + 1; dou <= {dou[6:0],q0}; s1 <= 2; end else begin s1 <= 3; cs <= 1; count <= 0; flag_done <= 1; show_data <= dou; end end else begin s1 <= 2; end end 3 : begin flag_done <= 0; end endcase else if(state == 3) //state == 3 進(jìn)入寫使能模式 case (s2) 0: begin cs <= 0; temp <= {command,addr}; s2 <= 1; end 1 :begin if(nege_dge) begin if(count < 8) begin q1 <= temp[31]; count <= count + 1; temp <= {temp[30:0],temp[31]}; end else begin count <= 0; s2 <= 2; cs <= 1; flag_done <= 1; end end else q1 <= q1; end 2 : flag_done <= 0; endcase else if(state == 4) //state == 4 進(jìn)入頁寫操作 case (s3) 0: begin cs <= 0; xie <= {command,addr,data}; s3 <= 1; end 1 :begin if(nege_dge) begin if(count < 40) begin q1 <= xie[39]; count <= count + 1; xie <= {xie[38:0],xie[39]}; end else begin count <= 0; s3 <= 2; cs <= 1; flag_done <= 1; end end else q1 <= q1; end 2 : flag_done <= 0; endcase else if(state == 5) //state == 5 進(jìn)入讀第一個狀態(tài)寄存器操作 case (s4) 0: begin cs <= 0; r_reg <= command; s4 <= 1; end 1 :begin if(nege_dge) begin if(count < 8) begin q1 <= r_reg[7]; count <= count + 1; r_reg <= {r_reg[6:0],r_reg[7]}; end else begin count <= 0; s4 <= 2; end end else q1 <= q1; end 2 : begin if(pose_dge) begin if(count < 8) begin count <= count + 1; d <= {d[14:0],q0}; end else begin cs <= 1; count <= 0; if(!d[8]) //判斷BUSY位忙不忙，不忙進(jìn)入下個狀態(tài) begin flag_done <= 1; s4 <= 3; end else //忙繼續(xù)讀第一個寄存器 s4 <= 0; end end else begin s4 <= 2; end end 3 : flag_done <= 0; endcase end endmodule
?
?
數(shù)碼管模塊seg代碼： ?
?
module seg(clk,rst_n,sel,seg7,data_in);
input clk;
input rst_n;
input [23:0] data_in;
output reg [5:0] sel;
output reg [7:0] seg7;
parameter s0 = 3'b000;
parameter s1 = 3'b001;
parameter s2 = 3'b010;
parameter s3 = 3'b011;
parameter s4 = 3'b100;
parameter s5 = 3'b101;
`define T1ms 50_000
//`define T1ms 5
reg [15:0] count;
reg flag;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n)
begin
count <= 16'd0;
flag <= 1;
end
else
if(count == (`T1ms / 2 - 1))
begin
count <= 16'd0;
flag <= ~ flag;
end
else
begin
count <= count + 1'b1;
end
reg [2:0] state;
reg [3:0] num;
always @ (posedge flag or negedge rst_n)
if(!rst_n)
begin
sel <= 3'b0;
state <= 3'b0;
num <= 4'b0;
end
else
begin
case (state)
s0:begin
state <= s1;
sel <= 6'b011111;
num <= data_in[23:20];
end
s1:begin
state <= s2;
sel <= 6'b101111;
num <= data_in[19:16];
end
s2:begin
state <= s3;
sel <= 6'b110111;
num <= data_in[15:12];
end
s3:begin
state <= s4;
sel <= 6'b111011;
num <= data_in[11:8];
end
s4:begin
state <= s5;
sel <= 6'b111101;
num <= data_in[7:4];
end
s5:begin
state <= s0;
sel <= 6'b111110;
num <= data_in[3:0];
end
default:state <= s0;
endcase
end
always @ (*)
begin
case (num)
0:seg7 = 8'b1100_0000;
1:seg7 = 8'b1111_1001;
2:seg7 = 8'b1010_0100;
3:seg7 = 8'b1011_0000;
4:seg7 = 8'b1001_1001;
5:seg7 = 8'b1001_0010;
6:seg7 = 8'b1000_0010;
7:seg7 = 8'b1111_1000;
8:seg7 = 8'b1000_0000;
9:seg7 = 8'b1001_0000;
10:seg7 = 8'b1000_1000;
11:seg7 = 8'b1000_0011;
12:seg7 = 8'b1100_0110;
13:seg7 = 8'b1010_0001;
14:seg7 = 8'b1000_0110;
15:seg7 = 8'b1000_1110;
default:;
endcase
end
endmodule
?
?
SignalTap 采集圖
圖中顯示的和我們的設(shè)計(jì)一樣，發(fā)送的各個命令也是一樣的，我們寫入的是AA然后接收的也是AA，設(shè)計(jì)正確。
審核編輯：黃飛
?
工商網(wǎng)監(jiān)
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