国产FPGA测评【七】FPGA解析串口数据写入FLASH

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3.本帖代码根据正点原子代码修改，并给出了源码，若对正点原子构成侵权，请及时联系本人删除。

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0.说明

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本帖根据正点原子的FLASH读写实验和串口模块，融合为一个工程文件，来实现特定业务：FPGA解析串口数据写入FLASH。

0.1 为什么学习FLASH

FLASH按照原理划分包括NOR FLASH和NAND FLASH，一般FLASH的存储容量都比较大，可以存储系统镜像、掉电后仍需保存的重要数据。FLASH的操作接口目前大多是SPI串行接口，以前并口FLASH使用较多，具有多根地址线和数据线，传输速度较快，但是硬件设计和走线相对串行总线更复杂。而对EEPROM来说，其存储容量更小，操作接口一般为I2C接口。

存储器有磁性存储、光学存储和半导体存储器，我们常用的半导体存储器的分类如下：

 

0.2 为什么学习SPI协议

前面提到操作FLASH的串行接口为SPI，因此学好SPI协议是对FLASH读写的关键。后面将用一小节讲解SPI的操作时序。

 

0.3 为什么通过串口写数据到FLASH

正点原子提供了串口回环实验源码，即通过上位机发送数据到FPGA，随后立即转发回来。

本帖将实现串口助手给FPGA发数据，FPGA将接收到的命令写入FLASH，将设定好的数据写入FLASH，并从FLASH中读出后发送给串口助手，以加深我们对串口和SPI通信协议的理解，同时锻炼设计工程框架和移植代码的能力。

 

1.SPI操作时序

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本帖的硬件设计比较简单，就是FPGA与EEPROM的I2C电路设计，网上相关内容较多，可自行学习。本帖直接介绍软件的设计。

以华邦的W25Q128FW芯片为例，介绍其读写时序。

上图是FLASH的数据输入和输出管脚对时间的要求，如高电平持续时间、低电平持续时间等，CS与SCLK的时间关系等。  

主机对FLASH需要进行读和写操作，主机写入时用的是FLASH的DI信号线，主机读出时使用的是FLASH的DO信号线。

主机向FLASH写指令的时序如上图。CS为高时SCL的空闲态可以为高电平也可以为低电平。假设CLK的空闲态为低电平，在上升沿时采样DI引脚的数据，FLASH在下降沿将数据存入自己的SSPBUF。等待8bit数据传输完成后就完成了一个字节数据的读取。

对FLASH的其他读写操作类似，可以参考W25Q128FW的datasheet。

 

2.软件总体设计

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实验目标：

串口助手发送0xaa数据给FPGA，作为FPGA程序的启动信号。FPGA接受到串口发送过来的启动程序信号0xaa后，将对板载的FLASH芯片先进行全擦除，然后写入数据0-255，再把数据0-255读出，读出数据正确后再把写入数据的扇区进行扇区擦除，最后再读取一遍数据看看数据是否擦除成功。读写正确则点亮led3，读写错误则led3灯闪烁。在把SPI数据读出的同时，将读出的数据通过串口发送给串口助手。

 

本帖的总体设计框图如下：

 

 锁相环模块（pll_spi）：锁相环模块的作用主要是生成100Mhz的时钟给读写模块（flash_rw）和SPI驱动模块（spi_drive）使用。我们的板载FLASH芯片最高可以进行104Mhz的时钟操作，本节实验我们使用锁相环生成了100Mhz时钟再进行二分频产生50Mhz的FLASH工作时钟。之所以这样二分频操作主要是为了方便控制SPI协议的时钟极性。
读写模块（flash_rw）：读写模块的作用主要是产生要写入FLASH的数据和给SPI驱动模块（spi_drive）发送操作指令。
LED 灯模块（led_alarm）：LED 灯模块就比较简单了，就是检测 FLASH 读写数据是否正确，如果正确那么SPI驱动模块（spi_drive）给出的错误标志信号为0，此时驱动LED3常亮，如果检测到读写错误标志拉高，则驱动 LED3闪烁。
SPI 驱动模块（spi_drive）：SPI 驱动模块是本节实验最重要的一个模块。它实现了基于 SPI 协议 FLASH通信时序，完成了对FLASH芯片擦除、写入数据、读取数据以及轮询状态寄存器等操作。并且对读出的数据进行检查给出读写正确与否的标志。

uart_recv和uart_send模块前面的帖子已经介绍过。

uart_spi_loop模块：该模块还接收uart_recv的数据，将数据写入FLASH读出后，并通过uart_send模块发送给串口助手。

 

3.关键代码分析

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本帖需要对正点原子FLASH读写实验的读写模块、SPI 驱动模块、顶层模块进行修改，并将串口发送模块和串口接收模块集成到工程当中。

由于前面几期介绍了串口通信与I2C、双端口RAM进行数据交互的案例，本帖不再给出详细的设计源码，大家可以根据系统总体框图去修改代码。本节将重点介绍下SPI通信源码的关键部分。

1.SPI 驱动模块（spi_drive）关键代码

assign idel_flag=(current_state==IDLE)?1:0;//空闲状态标志
assign idel_flag_r=idel_flag0&&(~idel_flag1);//空闲状态标志的上升沿

always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)begin
		idel_flag0<=1'b1;
		idel_flag1<=1'b1;
	end
	else begin
		idel_flag0<=idel_flag;
		idel_flag1<=idel_flag0;
	end
end

always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		w_data_req<=1'b0;
	else if((bit_cnt+2)%8==0&&bit_cnt>=30&&clk_cnt==0&¤t_state==WRITE)
		w_data_req<=1'b1;
	else
		w_data_req<=1'b0;
end

w_data_req是写FPGA向FLASH中写入数据的请求信号，最难理解的else if((bit_cnt+2)%8==0&&bit_cnt>=30&&clk_cnt==0&&current_state==WRITE)，这条代码表示当状态机处于写数据状态、bitcnt大于30（因为写数据时需要8bit指令加上24bit数据，所以前32bit都不用提供数据，这里之所以是bit cnt>30而不是bit cnt>32是因为需要提前两个时钟周期发送数据请求，（bit_cnt+2）%8==0（bit_cnt+2也是为了提前两个时钟周期，对8进行取模运算是因为一个字节数据等于8bit因此bit cnt每增加8才向数据读写模块发送一次写数据请求）和clk cnt==0时向数据读写模块发送写数据请求，这样读写数据模块就会给SPI驱动模块发送一字节数据。

always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin//读出的数据移位寄存
	if(!sys_rst_n)
		rd_data_buffer<=8'd0;
	else if(bit_cnt>=32&&bit_cnt<=2080&&clk_cnt==0&¤t_state==READ)									
		rd_data_buffer<={rd_data_buffer[6:0],spi_miso};
	else
		rd_data_buffer<=rd_data_buffer;
end
assign uart_send_flag = (bit_cnt%8==0&&bit_cnt>=40&&clk_cnt==1&¤t_state==READ);
always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin//检查读出的数据是否正确
	if(!sys_rst_n)
		data_check<=8'd0;
	else if(bit_cnt%8==0&&bit_cnt>=40&&clk_cnt==1&¤t_state==READ)
		data_check<=data_check+1'd1;
	else
		data_check<=data_check;
end

always @(posedge clk_100m or negedge sys_rst_n )begin//读出的数据
	if(!sys_rst_n)
        begin
		r_data<=8'd0;
        //uart_send_flag<=0;
        end
	else if(bit_cnt%8==0&&bit_cnt>38&&clk_cnt==1&¤t_state==READ)
        begin
		    r_data<=rd_data_buffer;
            //uart_send_flag <= 1;
        end
	else
        begin
		r_data<=r_data;
        //uart_send_flag<=0;
        end
end

第一个always语句表示：当状态机处于读状态时将读出的数据进行移位寄存，前32bit是指令和地址，从第33bit开始是读出的数据，每次在clk_cnt=0时（SPI时钟处于数据传输状态）移位寄存一次。

第二个always语句表示：将移位寄存的数据取出来传递给rdata，这个rdata就是最终读出的数据。判断条件就是每隔8bit提取一次数据，并且在clk_cnt==1时提取，因为移位寄存是在clkcnt==0时进行的。

第三个always语句表示：定义了一个计数器，r_data每提取一字节数据data_check就加一，data_check是在bit_cnt>46以后才开始加一的，因为r_data第一次提取数据的时候是当bit cnt==40时提取的，而第一个数据刚好就是0，因此在这个节点data check不需要累加，因为data check本身就是0，如果累加就会造成data check与r data刚好错位了。

 

我们接下来看状态机的读写操作：

            READ: begin
			      stdone<=1'b0;
				  if(dely_state_cnt==10)                
						spi_cs<=1'b0;
					else if(dely_cnt==1&&bit_cnt<8) begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=cmd_buffer[7];
						end
					 else if(bit_cnt>=8&&bit_cnt<32&&spi_cs==0)begin					    
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=addr_buffer[23];
					 end
					 else if(bit_cnt>=32&&bit_cnt<2080)begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=1'b0;						
					 end
					 else if(bit_cnt==2080&&clk_cnt==0) begin						
						spi_clk<=1'b0;
						spi_mosi<=1'b0;
						stdone<=1'b1;						
					 end
					  else if(bit_cnt==2080&&clk_cnt==1) begin
						spi_cs<=1'b1;
					 end
				 end
            WRITE: begin
			     stdone<=1'b0;
				  if(dely_state_cnt==10)                
						spi_cs<=1'b0;
					 else if(dely_cnt==1&&bit_cnt<8) begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=cmd_buffer[7];
						end
					 else if(bit_cnt>=8&&bit_cnt<32&&spi_cs==0)begin					   
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=addr_buffer[23];
					 end
					 else if(bit_cnt>=32&&bit_cnt<2080)begin						
						spi_clk0<=~spi_clk0;
						spi_clk<=spi_clk0;
						spi_mosi<=data_buffer[7];
					 end
					 else if(bit_cnt==2080&&clk_cnt==0) begin
						
						spi_clk<=1'b0;
						spi_mosi<=1'b0;
						stdone<=1'b1;
					 end
					  else if(bit_cnt==2080&&clk_cnt==1) begin
						spi_cs<=1'b1;
					 end
                  end

WRITE表示状态机处于写状态时的操作，在这个阶段，FPGA会将0-255数据写入FLASH中，注意在WRITE状态时一次性将256个数据写完才会跳转到下一个状态。

READ表示状态机处于读状态时的操作，在这个阶段，FPGA会将0-255数据从FLASH中读出，注意在READ状态时一次性将256个数据读完才会跳转到下一个状态，并不是写一个数据到FLASH后读一个数据出来。

 

2.读写模块（flash_rw）关键代码

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		flash_start<=0;
	else if(flash_start<=5 && pc_recv_data==8'haa)
	    flash_start<=flash_start+1;
	else
		flash_start<=flash_start;
end

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n )begin
	if(!sys_rst_n)
		cmd_cnt<=0;
	else if(flash_start==4 && pc_recv_data==8'haa)
	    spi_start<=1'b1;
	else if(idel_flag_r&&cmd_cnt<10 && pc_recv_data==8'haa)begin
	    cmd_cnt<=cmd_cnt+1;
		spi_start<=1'b1;
	end
	else begin
		cmd_cnt<=cmd_cnt;
		spi_start<=1'b0;
	end
end

flash_start这个计数器的作用是产生一个spi_start开始信号用来启动SPI驱动模块，当flash_start 等于4时拉高spi_start，只拉高一个时钟周期。

cmd_cnt计数器，每当检测到SPI驱动模块的状态空闲标志位的上升沿时cmd cnt就会加一，根据cmd_cnt的值来发送不同的指令给SPI驱动模块。每当检测到一次写数据请求spi_data就会加一，写数据请求一共会拉高255次，因此写入FLASH的数据就是0~255。

Jacktang

用串口助手给FPGA发数据，确实有助于理解对串口和SPI通信协议

电子苦行僧

博主写的文章真是详尽，细节很棒，对于我这样一个fpga的小白来说真的非常有帮助，学到了很多。

gejialong7

先用小例子学习，也可以自己再做优化，把自己做的例子变成可用于工程实践的可移植模块