一款支持 Nor Flash 读写的 SPI 主控制器设计，涵盖功能特性、架构、接口及寄存器定义。核心功能包括支持 SPI 模式 0/3、Standard/Dual/Quad 模式及 XIP 模式，提供 AHB 与 APB 接口，并具备 CRC32 校验能力。文章详细阐述了通过 APB 接口读写 W25Q128 Flash 的寄存器操作流程，以及 AHB 接口下的 XIP 模式实现原理与波形分析。最后展示了 SOC 系统集成验证结果，包含 C 代码测试逻辑及串口打印输出，验证了控制器在 FPGA 环境下的读写性能与稳定性。
| Name | IO Type | description |
|---|---|---|
| cs_n | output | SPI 片选信号 |
| sclk | output | SPI 时钟信号 |
| io_0 | inout | SPI 数据线 0，MOSI |
| io_1 | inout | SPI 数据线 1，MISO |
| io_2 | inout | SPI 数据线 2 |
| io_3 | inout | SPI 数据线 3 |
APB 读写 Flash 需要通过多次访问寄存器来实现。
以 W25Q128 Flash 中写 Flash 的命令 Page Program (02h）为例，只需要通过访问寄存器依次将 1byte 命令、3byte 地址和若干待写入的数据以 byte 为单位发送出去即可。W25Q128 的 Page Program 命令的 sequence 如下图所示：
在 5.1 节中介绍了 Page Program 指令写 Flash 的流程，但是 Page Program 指令本身只是负责把要写入 Flash 的数据发送给 Flash 端，而数据真正写入 Flash 存储单元还需要一段时间，这个时间一般是需要若干毫秒。主控端可以通过定时的方式，固定延时多少毫秒后再发起下一次对 Flash 的读写访问；也可以通过循环读 Flash 中的状态寄存器，根据状态寄存器的值判断上一次的写操作或者擦除操作是否完成。本文设计的 SPI 控制器没有定时的功能，因此只能通过软件定时或者读 Flash 状态寄存器的方式判断当前 Flash 是否处于 busy 状态。
W25Q128 的 BUSY 位在状态寄存器 1 的 bit0，读状态寄存器 1 的 sequence 如下图所示：
AHB 读数据位宽为 32bit，一次 AHB 读命令固定从 Flash 中读 4byte 数据，因此建议通过 AHB path 读 Flash 时，一次读 32bit 数据，从而提高读取速率。（AHB 的 narrow transfer 也是支持的，支持 AHB 一次读 1byte、2byte、4byte 数据，只是 AHB 读操作转换成 SPI 读 Flash 操作时，都是 4 字节对齐的读 Flahs 操作） 另外，该 SPI 主控支持 AHB 读取一个地址后，在没有收到下一个 AHB 读命令的情况下，自动从 Flash 中读取下一个地址的 32bit 数据，节省 SPI 读 Flash 时的命令、地址和 dummy 的开销，从而提高 AHB 连续读 Flash 的带宽。
将该 SPI 主控和 ARM Cortex-M3 核集成在一起，并编写 C 代码对 Flash 进行读写测试。从 Flash 中读数据的测试结果如下。（已提前将 Flash 中的数据初始化为 0～256，即 Flash 地址 0～255 的值依次为 0～255，地址 256～511 的值同样依次为 0~255，其他地址的值以此类推） 测试的 C 代码：
串口打印结果：
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