支持Nor Flash读写的SPI主控制器设计、仿真和FPGA验证（含XIP模式）
文章目录
- 前言
- 一、功能
- 二、架构设计
- 三、接口介绍
- 四、寄存器介绍
- 五、APB接口读写W25Q128 Flash
- 六、AHB接口读W25Q128 Flash（即XIP模式）
- 七、CRC32功能使用方法
- 八、SOC系统集成验证
- 九、资源下载
前言
提示：本文仅供个人学习，未经授权严禁转载。
一、功能
（1）支持SPI模式0和模式3（关于SPI模式的介绍网上有很多，这里不再赘述。重点注意一下：对于模式0和模式3，发送端在SPI时钟下降沿发送数据，接收端在SPI时钟上升沿采样数据）；
（2）支持Standard SPI，Dual SPI，Quad SPI模式；
（3）支持XIP模式（支持W25Q、N25Q、MX25L等系列SPI Flash）；
对于XIP模式的定义，每一款Flash器件的说法似乎有些细微的差异。本文的理解就是，在XIP模式下，Flash器件可以看作一块类似于sram的存储设备，只需要通过地址即可读取Flash的存储内容。不需要像SPI接口读Flash时那样，需要先发送flash专用的读命令，其次发送读地址，以及可能需要发送的dummy cycle，然后Flash才会返回读数据。本文设计的SPI主控制器的AHB path能够将AHB读操作直接转换成SPI读Flash操作，因此从AHB接口端来看，Flash就像一个普通的sram一样，通过地址即可读取Flash中的数据。
（4）SPI控制器时钟频率为50MHz时（SPI接口时钟sclk频率最高为25MHz），AHB接口地址连续读W25QXX Flash带宽最高约为12.5MB/s，随机地址读带宽约4.3MB/s；
（5）支持对AHB接口读取的数据计算CRC32校验码（目的：验证Flash Device中的数据是否被正确传输到SPI主控制器端）；
二、架构设计
三、接口介绍
（1）AMBA3 AHB-Lite接口
（2）AMBA4 APB接口
（3）SPI接口
| 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 |
（4）中断电平信号
在以下情况时会产生中断：
i. 发送buffer为空；
ii. 接收buffer非空；
iii. 在AHB path检测到写操作（AHB path为XIP模式，只支持读操作）；
四、寄存器介绍
五、APB接口读写W25Q128 Flash
APB读写Flash需要通过多次访问寄存器来实现。
5.1 APB写Flash
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：
5.1.1 寄存器访问具体流程（以向地址24’h123456写入8’hA0为例）
(1)向寄存器地址8’h20写入32’h02（即把命令8’h02写入tx_buf）；
(2)向寄存器地址8’h0写入32’h1（即abort=0, last_byte=0, op_mode=0, rx_trig=0, tx_trig=1）；
(3)循环读寄存器地址8’h10，直到读数据的bit0为1（即tx_buf_empty=1）；
(4)向寄存器地址8’h20写入32’h12（即把地址的高8bit写入tx_buf）；
(5)向寄存器地址8’h0写入32’h1；
(6)循环读寄存器地址8’h10，直到读数据的bit0为1；
(7)向寄存器地址8’h20写入32’h34（即把地址的中间8bit写入tx_buf）；
(8)向寄存器地址8’h0写入32’h1；
(9)循环读寄存器地址8’h10，直到读数据的bit0为1；
(10)向寄存器地址8’h20写入32’h56（即把地址的低8bit写入tx_buf）；
(11)向寄存器地址8’h0写入32’h1；
(12)循环读寄存器地址8’h10，直到读数据的bit0为1；
(13)向寄存器地址8’h20写入32’hA0（即把要写入Flash的数据写入tx_buf）；
(14)向寄存器地址8’h0写入32’h11（即abort=0, last_byte=1, op_mode=0, rx_trig=0, tx_trig=1）；
循环读寄存器地址8’h10，直到读数据的bit0为1；
5.1.2 仿真波形
5.2 APB读Flash状态寄存器
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：
5.2.1 寄存器访问具体流程（以循环读W25Q128状态寄存器1，且直到BUSY等于0为例）
(1)向寄存器地址8’h20写入32’h05（即把命令8’h05写入tx_buf）；
(2)向寄存器地址8’h0写入32’h2（即abort=0, last_byte=0, op_mode=0, rx_trig=1, tx_trig=0）；
(3)循环读寄存器地址8’h10，直到读数据的bit 1为1（即rx_buf_full=1）；
(4)APB读寄存器地址8’h24，APB read data即为状态寄存器1的值；
(5)判断状态寄存器1的bit 0（BUSY）是否为0，若为0则表示flash处于idle状态，向寄存器地址8’h0写入32’h21/32’h22（即abort置1，rx_trig或tx_trig置1，op_mode和last_byte可以为任意值），将cs_n直接拉高，结束当前的SPI传输；否则返回步骤(2)；
5.2.2 仿真波形
六、AHB接口读W25Q128 Flash（即XIP模式）
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。
（1）AHB地址非连续读Flash波形如下，第一个读地址为24’h123450，第二个读地址为24’h123458。
（2）AHB地址连续读Flash波形如下，第一个读地址为24’h123450，第二个读地址为24’h123454。
七、CRC32功能使用方法
（1）向寄存器地址8’h28写入32’h3，使能CRC32计算的功能，并初始化CRC32。
（2）通过AHB接口从Flash中读数据，所有AHB接口读取的数据都会参与CRC32的计算；
（3）读取寄存器地址8’h2C，获取CRC32的计算结果。
八、SOC系统集成验证
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：
九、资源下载
免费版verilog代码和仿真文件下载：点击下载
