基于 FPGA 的 SPI Flash 读写控制设计
一、SPI 协议基础
SPI（Serial Peripheral Interface）是 Motorola 推出的一种全双工同步串行总线，仅需四根信号线即可实现主从设备间的高效数据传输，广泛应用于 Flash、EEPROM、ADC/DAC 等外设。
SPI 通信依赖四根关键信号线：
- SCLK：串行时钟，由主机控制数据交换速率与时机。
- MOSI：主机输出/从机输入，用于发送指令或数据。
- MISO：主机输入/从机输出，用于接收数据。
- CS_N：片选信号，低电平有效，选中特定从机。
常见连接模式包括一主机一从机及一主机多从机（常规多片选或菊花链）。传输时需注意单主机原则，且数据通常以 MSB（最高位优先）方式传输，支持 8 位或 16 位帧长。
SPI 支持四种工作模式，由 CPOL（时钟极性）和 CPHA（时钟相位）决定：
| CPOL\CPHA | 0 | 1 |
|---|---|---|
| 0 | 模式 0 | 模式 1 |
| 1 | 模式 2 | 模式 3 |
本设计采用模式 0（CPOL=0, CPHA=0），即空闲时钟为低电平，上升沿采样数据，下降沿输出数据。
二、M25P16 Flash 特性
M25P16 是一款 16Mb（2M×8bit）串行闪存，支持高速 SPI 兼容总线。其存储结构分为 32 个扇区，每扇区 256 页，每页 256 字节，总计约 2MB 容量。支持页编程、扇区擦除及批量擦除操作。
引脚功能简述：
- Q：串行数据输出，下降沿移出。
- D：串行数据输入，上升沿锁存。
- C：串行时钟，提供时序控制。
- S：芯片选择，低电平激活设备。
- HOLD：保持信号，暂停通信但不取消选中。
- W：写保护，配合状态寄存器控制区域保护。
核心指令集包括写使能（WREN）、读 ID（RDID）、读状态（RDSR）、字节读（READ）、快速读（FAST_READ）、页编程（PP）、扇区擦除（SE）及批量擦除（BE）。所有指令均以最高有效位为先进行传输。
关键时序要求：
| 操作 | 最小时间 | 最大时间 | 单位 |
|---|---|---|---|
| 命令间隔 | 100 | - | ns |
| 页写 | 1.4 | 5 | ms |
| 扇区擦除 | 1 | 3 | s |
| 全擦除 | 17 | 40 | s |
三、系统设计思路
硬件架构主要包含 SPI 控制器、状态机逻辑及外设接口。
框图设计 系统通过按键触发不同操作，并通过数码管与串口反馈结果：
- 读 ID：按键触发后读取 Flash 制造商及设备 ID，显示于数码管并上传串口。
- 读数据：读取指定地址数据，实时显示。
