三大总线之SPI总线学习

最近由于很少写代码感觉自己变得菜的不要不要的，心里很是内疚，姑且写篇博客安慰下自己。

将以前写的spi接口配置Flash芯片从入手到仿真详细阐述一下吧。

 

1、项目接手我使用的芯片为M25P16Flash芯片，该款芯片首页如下：

从首页中我标红部分可以看到：该款Flash容量为16Mbit，兼容Spi总线接口，最大时钟频率可以达到50Mhz，超过10万次的擦除写入次数，长达20年的数据保存周期。

一页里面有256个字节，一个扇区里面有512kbit。

以该款芯片为例，讲解SPI总线接口的应用。

其实到这里我刚接手也是很迷茫，到底什么是页、什么是扇区、Flash内部结构到底是怎样的呢？下面我以一张图为大家详细展示。

从上图中可以看到Flash内部分为扇区-页-字节，Flash先把整块存储器件划分为多个扇区、再把扇区分为页，再把页分为字节，根据首页介绍一页里面即一个Page里面有256个字节，根据首页一个扇区里面有512Kbit折算下来一个扇区里面有256页，具体计算过程如下：

(512kbit x1024)/(256 x8) = 256页

根据首页介绍整块Flash容量为16Mbit,对它进行扇区计算，也就是说该款Flash总共有32个扇区，具体计算过程如下：

(16bit x1024Kbit)/(512Kbit) = 32扇区

到这里我们就很清楚了，这款Flash总共有32个扇区，每个扇区里面有256页，每页里面有256字节等。

Flash内部进行数据存储都是基于字节进行存储的，也就是说它的一个地址里面存的数据其实就是一个字节，8个bit。

那么如果说想对这款Flash进行写入或者读取的话，应该怎么做呢？寻址方式应该是怎么样的呢？

应该是这样的，我们首先要确定扇区地址，再确定页地址，再确定对该页哪一个字节进行操作，也就是说寻址方式首先要确定扇区，再确定页，之后再确定字节。

那如果说对该款Flash用上述方式进行寻址，总共需要多少个数据来表示地址呢？即计数器位宽应该是多少？总共是32个扇区，理论上需要5个bit来表示32个扇区的信息，扇区里面有256页，理论上需要8个bit来表示页地址，页里面有256个字节，理论上也需要8个bit,这样算下来扇区地址5个bit,页地址8个bit,字节地址8个bit,总共需要21个bit的数据来表示地址信息。

以上便是关于该款Flash的粗略介绍，以下介绍SPI总线。

2、SPI总线介绍

以FPGA和板级Flash芯片为例，简单介绍SPI总线的连接方式。

 

察看芯片手册对这四根信号的具体描述：

对SDO信号描述如下：

该信号为Flash数据输出端口，数据是在串行时钟的下降沿改变。（建议先不要纠结上升沿，下降沿这些，具体看时序图）

对SDI信号描述如下：

 该信号是用来向Flash器件传输数据，该信号可以为指令、地址、及写入到Flash中的数据，改管脚上的值是在串行时钟的上升沿锁存。

SCLK信号描述如下：

该信号为串行接口提供时序，在SDI管脚上出现的指令、地址、数据会在串行时钟的上升沿锁存，SDO数据输出端口会在时钟下降沿改变。

CS片选信号描述如下：

改信号当其被置高时，该款芯片没有被选中，串行数据输出端口会处于高阻状态，如果想在上电之后执行任何指令都必须把片选信号拉低。

这里使用的是四线制的SPI接口，三线制数据输入输出用一根信号传输，其它两个信号与四线制作用一致。三线制的SPI有点类似与IIC。

以上便是芯片手册对这四根信号的简单介绍。

 

 3、下面详细阐述如何通过SPI接口来操作该款Flash芯片。

去应用Flash其实无非就是怎么样把数据写入到Flash里面，怎么从Flash里面把数据读出来。

操作Flash是通过SPI接口写入相应的指令才能让Flash按照指令代码去执行相应的操作，该款Flash指令代码表格察看芯片手册如下：

如果说现在要对该款Flash进行写操作，需要执行Page program即页编程操作指令，简称PP。

现在来看一下PP的指令介绍：

红色划出部分描述：PP指令允许字节写入到存储器件中，写操作在Flash内部bit跳转其实是从1变到0。当该指令被执行之前，一个写使能指令必须要被提前执行。通过以上描述我们知道页写指令可以把Flash内部数据从1变到0，但是如果现在有这样一种场景，即字节地址里面原来的数据全为0，但是现在需要向该字节地址写入一个0F的数据，是否可以正确写入呢？

 

分析：因为写入的时候只能从1变到0,如果内部的数据本来已经是0，但是现在需要写入一个1，那么该数据是不会被正确写入的！！

还有一个是在执行页写指令之前还需要执行一个写使能指令，那还是刚才的问题，如果内部的数据为0，还需要向其写入1，怎么把数据正确写入到里面呢？其实很简单，需要首先执行一个擦除指令，擦除指令的目的会把Flash内部的数据全部都变成1，也就是会把0也变成1。

说到擦除，下来看一下芯片手册的擦除指令。

扇区擦除指令会把所选择扇区里面的所有Bit都设置为1，在该指令执行之前，一个写使能指令必须被提前执行，也就说在扇区擦除指令之前，还需要执行写使能指令。

既然在PP页写指令介绍时，也提到了写使能指令，那么我们详细看一下写使能指令。

在写使能指令介绍里面提到，在执行Page Progam(页写指令) 及SE（扇区擦除指令）之前需要执行写使能指令。

那么写使能指令是通过什么方式操作的呢？有这样一段详细描述：

即写使能指令执行的具体操作是先把片选信号拉低，再发送写使能指令代码，然后再把片选信号拉高，从下面时序图也可以看出。

该时序图第一个信号为片选，在执行写使能指令的整个周期里面是把片选信号拉低的，第二个信号为串行时钟，第三个信号为数据输入管脚，即SDI,简单看一下，从时钟0开始数，在第五第六这两个时钟周期是为高，其余时钟沿为低。所以可以看出写使能指令码为：8‘b00000_0110即06h对比上面的指令码表验证理解正确。第四个信号为Flash芯片数据输出端口，可以看到，在执行写使能指令器件，该管脚处于高阻态。

至此，我们已经明白要对Flash执行写操作需要四个阶段：

1：执行写使能指令

2：执行扇区擦除指令

3：执行写使能指令

4：执行页写指令

那么现在看一下扇区擦除指令的详细描述：

有了经验之后，我们也没必要每次都看描述了，我们来具体看看时序，在执行扇区擦除指令也是相应的先把片选信号拉低，相应的提供时钟，然后再执行相应的指令，从图中可以看出，执行擦除指令其实分为了两个部分，第一部分先给出相应的擦除指令代码：D8h,之后再提供24bit的地址信号，哪这里面出现一个问题，为什么扇区擦除需要24bit的地址，我们之前计算出的寻址仅仅用到21位啊，问题很简单，在上图左下角有一个注释，该注释说的是，A23到A21为不关心，即我们只需要保证低21个bit是有效的就行了。

下面将写使能和扇区擦除为一个例子来说明，在FPGA里面怎么去实现对Flash的擦除操作。

使用Time Gen 软件我绘制了一个时序图。

在该时序图中，我提供了一个Se_trig即擦除的触发信号，当该触发信号到来时，FPGA内部会把work_flag拉高，拉高之后计数器会相应的进行计数，相应的SPI总线信号会根据计数器进行工作，在扇区擦除指令之前会先给出写使能指令，即前八个时钟周期是先给出写使能指令，即对应图中片选拉低的第一阶段先执行写使能指令06h,在计数器计数到8时，拉高片选，代表写使能指令执行完毕。

当计数器为9时把片选信号保持一个时钟周期的高电平，之后在计数器从9变到10把片选信号拉低，目的是为了执行扇区擦除指令D8h,进接着24bit地址，以6'h000_000即第零个扇区擦除为例。

由于时间问题，暂且写到这里，后续补上根据时序图实现的代码，及仿真截图。