基于FPGA的SPI Flash控制器的设计方案

《基于FPGA的SPI Flash控制器的设计方案》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、基于FPGA的SPIFlash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SPIFlash读写硬件实现方案，该方案利用硬件对SPIFlash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SPIFlash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：SPIFlash控制器FPGA　　本文提出一个基于FPGA的SPIF

2、lash读写硬件实现方案，该方案利用硬件对SPIFlash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SPIFlash控制器IP核能够进行移植和复用，作为SOC芯片的功能模块。SPIFlash控制器采用VHDL语言进行编写，在Modelsim6.5g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

3、；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。SPIFlash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SPIFlash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SPIFlash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

4、的SPIFlash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SPIFlash控制器的设计方案，并用VHDL实现。编写的SPIFlash控制器IP核在Modelsim6.5g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.SPIFlash控制器设计　　2.1SPIFlash芯片选择　　本方案SPIFlash芯片采用GigaDevice公司的GD25Q系列，GD25Q系列SPIFlash包括4Mbit的GD25Q40，2Mbit的GD25Q2

5、0，1Mbit的GD25Q10以及521Kbit的GD25Q512，这里将采用512Kbit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FPGA的I/O引脚相连；写保护引脚WP#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

6、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。　　2.2SPIFlash指令操作　　GDQ25系列SPIFlash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，SPIFlash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。　　2.3SPIFlash控制器设计原理　　SPIFlash控制器必须能够产生SPIFlash芯片执行各操作（

7、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SPIFlash的数据传输将由SPIFlash控制器内部状态机控制执行。　　3.SPIFlash控制器实现　　3.1SPIFlash测试系统　　本文设计的SPIFlash测试系统由用户端、FPGA和SPIFlash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-5XC5VLX

8、110T），SPIFlash芯片采用GigaDevice公司的GD25Q系列512Kbit容量的GD25Q512.　　SPIFlash控制器由VHDL编写，主要为SPIFlash芯片提供串行时钟，将从用户端输入的数据（包括指令字节、地址字节和数据字节）寄存起来并