基于FPGA的内存128M flash芯片控制器设计

眼镜一米二

叁芯智能科技FPGA就业班05月开班中

      今天给大侠带来基于FPGA的内存128M flash芯片控制器设计，话不多说，上货。

设计原理及思路

FLASH闪存 闪存的英文名称是"Flash Memory"，一般简称为"Flash"，它属于内存器件的一种，是一种不挥发性( Non-Volatile )内存。

闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异:目前各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存;闪存在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

本次设计使用的是 W25Q128FV 内存128M的flash芯片，大家可以自己在官网上下载器件手册。在这里为了方便，也提供给各位，需要使用的可以在公众号内部回复“W25Q128FV手册资料”，各位可以根据实际项目应用灵活设计。

这款flash芯片的的存储是一个扇区4KB，一个扇区可以存256个字，一个字是8位，一个块是64KB，一共有256个块组成一个存储flash内存。

在下面的讲解中，将主要讲实现一下字节的读写，本次设计使用的协议是SPI协议，这个芯片支持QSPI，双端口SPI等。flash有三个状态寄存器，每一个状态寄存器的每一位都有各自的功能。大家可以具体的看器件手册，首先给大家简单的讲一下第一个状态寄存器。

这个状态寄存器第一位是可读、忙和不忙的标志位，大家可以在我们的设计中判断芯片是否忙和不忙来是否进行下一步的操作。第二位是一个写标志的信号，当写使能打开的时候它为1，只有它为1的时候我们才可以进行写，值得一说的不管是页操作，还是擦除等命令后都会使这个标志位变成0。然后前面的命令算的上的是保护命令，具体有使用的逻辑功能。

在flash中，写数据前先要擦除数据（想要擦除的地方），然后进行写，如果没有用过的flash芯片的话那么可以不用擦除，因为flash掉电不丢失数据。

设计思路大概是先读出器件厂商和芯片ID，然后写命令，写使能打开，页操作写入数据(值得说明的是我们FLASH是新的所以没进行擦除命令，建议擦除---关闭写使能 -- 打开写使能)，然后读第一个寄存器判断芯片的第一位是否忙，不忙然后进行读操作之后再数码管上显示出我们写入的数据。

部分操作命令如下：

我们的发送格式为在时钟的上升沿写入命令，在时钟的下降沿读出命令，用的是标准的SPI协议，端口IO0，和IO1，都是单向的。

写使能时序：

      读使能时序：

      其他的时序在这里就不分别列举出来了，大家可以参考器件手册。

设计架构

      本次的设计是用一个FSM控制器来控制发送什么命令，flash模块判断FSM发送过来的state信号来选择应该执行什么操作，当命令写入或者读出后，会发送一个flag_done命令，这个命令让我们判断上个指令是否完成，如果完成后FAM将发送下一个命令。总体架构图如下：

设计代码

顶层模块 flash_top 代码：

设计模块 fsm 代码：

中间模块flash代码：

数码管模块seg代码：

SignalTap 采集图

      图中显示的和我们的设计一样，发送的各个命令也是一样的，我们写入的是AA然后接收的也是AA，设计正确。