基于FPGA的SPIFlash控制器的设计方案.doc

基于FPGA的SPI Flash控制器的设计方案 [导读] 传统的Flash读写是通过CPU软件编程实现，其读写速度较慢，且占用CPU资源，另外由于Flash芯片本身功能指令较多，使得对芯片进行直接操作变得非常困难。本文提出一个基于FPGA的SPI Flash读写硬件实现方案，该方案利用硬件对SPI Flash进行控制，能够非常方便地完成Flash的读写、擦除、刷新及预充电等操作，同时编写的SPI Flash控制器IP核能够进行移植和复用，作为SOC芯片的功能模块。 关键词：SPI Flash控制器FPGA 　　本文提出一个基于FPGA的SPI Flash读写硬件实现方案，该方案利用硬件对SPI Flash进行控制，能够非常方便地完成Flash的读写、擦除、刷新及预充电等操作，同时编写的SPI Flash控制器IP核能够进行移植和复用，作为SOC芯片的功能模块。SPI Flash控制器采用VHDL语言进行编写，在Modelsim 6.5g上通过功能仿真，并且在XUPV5-LX110TFPGA开发板上通过硬件测试，实现结果表明方案的可行性。 　　1.引言 　　Flash是一种具有电可擦除的可编程ROM，按接口可以分为两大类：并行Flash和串行 Flash.并行Flash存储量大，速度快；而串行Flash存储量相对较小，但体积小，连线简单，可减小电路面积，节约成本。SPI Flash是内嵌SPI总线接口的串行Flash，它比起传统的并行总线接口Flash，节省了很多的I/O口资源，从而为系统功能的扩展提供了更多的可能。 　　随着SPI Flash越来越多地应用到各种领域，其传统读写方式中读写速度不够快、占用CPU资源以及操作不够简便灵活的缺点表现得更为突出，如何解决以上问题成为大家关注的焦点。利用硬件对SPI Flash进行控制，能够非常方便地完成Flash的读写、擦除、刷新及预充电等操作，且不占用CPU资源，同时编写的SPI Flash控制器IP核能够进行移植和复用，作为SOC芯片的功能模块。因此提出了一种基于FPGA的SPI Flash控制器的设计方案，并用VHDL实现。编写的SPI Flash控制器IP核在Modelsim 6.5g上进行了功能仿真，在FPGA开发板上进行了测试验证，可作为功能模块应用于SOC芯片设计。 　　2.SPI Flash控制器设计 　　2.1 SPI Flash芯片选择 　　本方案SPI Flash芯片采用GigaDevice公司的GD25Q系列，GD25Q系列SPI Flash包括4Mbit的GD25Q40，2M bit的GD25Q20，1M bit的GD25Q10以及521K bit的GD25Q512，这里将采用512K bit的GD25Q512.图1为GD25Q系列SPIFlash（SOP8封装）引脚排列图。其中VCC和VSS分别为电源和地，其他6个引脚均可直接与F P G A的I / O引脚相连；写保护引脚W P #和HOLD#挂起引脚用于数据保护和空闲模式的低功耗运行，若不使用可将其置为高电平；CS#为片选信号，低电平时表示器件被选中，反之工作在待机状态；SO为串行数据输出，数据在时钟的下降沿输出到Flash器件；SI为串行数据输入，包括传输指令、地址和输入数据，输入信号在时钟的上升沿锁存到 Flash器件中。SCLK为串行时钟，由FPGA提供。 　　2.2 SPI Flash指令操作 　　GDQ25系列SPI Flash指令较多，所有指令都是8位，操作时先将片选信号CS#拉低选中器件，然后输入8位操作指令字节，串行数据在片选信号CS#拉低后的第一个时钟的上升沿被采样，SPI Flash启动内部控制逻辑，自动完成相应操作。有些操作在输入指令后需要输入地址字节和伪字节，最后操作完成后再将片选信号拉高。 　　2.3 SPI Flash控制器设计原理 　　SPI Flash控制器必须能够产生SPI Flash芯片执行各操作（如写使能、刷新、预充电、读芯片ID、读取状态寄存器、写状态寄存器、扇区擦除、块擦除、整体擦除、读取数据、快速读取数据、页面编程）时所需指令时序，用户只需要输入对应操作的8位指令值及对应的操作地址值，SPI接口与SPI Flash的数据传输将由SPI Flash控制器内部状态机控制执行。 　　3.SPI Flash控制器实现 　　3.1 SPI Flash测试系统 　　本文设计的SPI Flash测试系统由用户端、FPGA和SPI Flash构成，系统框图如图2所示，其中FPGA选用Xilinx公司Virtex5系列芯片（Virtex-5 XC5VLX110T），SPI Flash芯片采用GigaDevice公司的GD25Q系列512K bit容量的GD25Q512.