基于FPGA的SPI Flash控制器的设计方案

　　SPI Flash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）寄存起来并在串行时钟的控制下通过spi_dout信号线逐位输出到SPI Flash芯片中，同样将从SPI Flash芯片中读出的串行数据转换成并行数据送给用户端。此外，SPI Flash控制器还必须在用户通过sel、addr以及wr组合发出的操作命令下产生一系列的控制信号，并在这些控制信号的作用下根据状态机的转换方向进行动作并且输出相应的结果。

　　3.2 SPI Flash控制器控制状态机

　　由于SPI Flash操作命令较多，并且很多操作命令之间存在相同的操作步骤，所以利用状态机进行控制能够准确有条理地完成对SPI Flash的操作。分析GDQ25系列SPI Flashdatasheet，可将SPI Flash控制器的工作状态划分为空闲状态（IDLE）、传输指令状态（TxCMD）、传输高字节地址状态（TxADD_H）、传输中间字节地址状态（TxADD_M）、传输低字节地址状态（TxADD_L）、传输伪字节状态（TxDummy）、传输数据状态（TxDATA）和接收数据状态（RxDATA）。除此以外，由于所有接收到的指令值都寄存在指令寄存器内，当一条指令执行完毕时需要将指令寄存器清空，以便接收下一条用户指令，所以设定一个清除指令状态（CLR_CMD）作为每一操作完成后的收尾状态。当状态机进入CLR_CMD状态后，表示当前操作已经完成，正将指令寄存器指令值清空；当状态机进入IDLE状态时，用户可输入下一操作指令，对SPI Flash进行下一操作。考虑到SPI Flash的响应时间，在以上工作状态中间插入了一些等待状态（WAIT）。

　　4.SPI Flash控制器验证

　　SPI Flash控制器IP核在Modelsim 6.5g上能够通过功能仿真，下面分析一下SPI Flash页面编程操作及数据读取操作的功能仿真。

　　4.1 页面编程操作

　　页面编程操作仿真波形如图3所示，图中截取输入00H和01H数据的波形，最多可连续输入一页 256字节数据。当用户输入页面编程指令02H，状态机进入txcmd状态，页编程指令02H通过spi_dout传输给SPI Flash.当tx_bit_cnt计数到8时，指令传输完毕，状态机在等待后进入txadd_h状态，同时tx_bit_cnt被清零，需写入数据的对应存储空间的起始地址高字节值89H被传输。当tx_bit_cnt计数到8时，高字节地址值89H被传输完毕，状态机在等待后进入txadd_m状态，同时tx_bit_cnt被清零，同上，地址中间字节67H和45H被传输。当add_h、add_m和add_l寄存器的值依次传输完毕，状态机进入 wait6状态，等待用户输入需写入SPI Flash的数据。当用户设定{sel，addr，wr}为10001b，状态机进入txdata状态，同时tx_new_data被置高，表示要传输新写入的数据。在txdata状态下，控制器将传输写入的第1字节数据00H，当tx_bit_cnt计数到8时，第1字节数据00H被传输完毕，tx_new_data被拉低，tx_empty被拉高，表示当前没有可传输的数据，状态机进入wait6状态，等待新数据写入。直到用户再次设定 {sel，addr，wr}为10001b，状态机再次进入txdata状态，同时tx_new_data被置高，表示写入的第2字节数据01H将要传输。当tx_bit_cnt计数到8，第2字节数据传输完毕，tx_new_data被拉低，tx_empty被拉高，状态机进入wait6状态。由于 GDQ25系列SPI Flash页面编程一次最多可写入256字节数据，所以用户在写入数据时，应注意最多写入256次数据，否则超过的数据将覆盖开始的数据。当状态机处于 wait6状态而用户想结束页面编程时，可向控制器输入NOP指令强制结束当前页面编程操作。状态机在接收到NOP指令后将进入clr_cmd状态和 idle空闲态，等待下一条指令的到来。当页面编程操作还没结束时，busy将一直被置高。

　　4.2 数据读取操作

　　读数据指令仿真波形如图4所示。当用户输入读数据指令03H，状态机进入txcmd状态，读数据指令通过spi_dout传输给SPI Flash。

　　当tx_bit_cnt计数到8时，指令传输完毕，状态机等待后进入txadd_h状态，传输要读出数据所在存储空间起始地址的高字节，同时tx_bit_cnt清零，以为下一个传