基于FPGA的串行Flash擴展實現

FPGA憑借其方便靈活、可重復編程等優點而日益被廣泛應用；閃速存儲器(Flash Memory)以其集成度高、成本低、使用方便等優點，在眾多領域中也獲得了廣泛應用。在現代數字電路設計中。經常需要保存大量數據，而Flash存儲速度快、體積小、功耗低且價格低廉，可在線電擦寫，信息在掉電后不會丟失，因此成為設計人員的首選。

2 M25P80的介紹

Flash是一種具有電可擦除的可編程ROM，可以分為兩大類：并行Flash和串行Flash。并行Flash存儲量大，速度快；而串行Flash存儲量相對較小，但體積小，連線簡單，可減小電路面積，節約成本，二者各有其優缺點，可依據實際需要選取。本文開發的系統對速度的要求不是很高，而對電路板的面積要求則較為苛刻，因此系統設計選用了串行FlashM25P80。

M25P80是意法半導體推出的一款高速8 Mbit串行Flash，共由16部分組成，每一部分有256頁，每頁有256個字節。M25P80具有先進的寫保護機制，讀取數據的最大時鐘速率為40 MHz。M25P80的工作電壓范圍為2.7 V～3.6 V，具有整體擦除和扇區擦除、靈活的頁編程指令和寫保護功能，數據保存至少20年，每個扇區可承受100 000次擦寫循環。并行Flash封裝通常需要28個以上的引腳，因此，額外支出大，而M25P80采用SO8封裝，需要的引腳數較少，從而節省了電路板空間，功率、系統噪聲和整體成本等都會大幅度降低，既經濟又實用。

圖1為M25P80的引腳排列，其中Vcc和Vss分別為電源和地，其他6個引腳均可直接與FPGA的I／O引腳相連；寫保護引腳W和HOLD掛起引腳，用于數據保護和空閑模式的低功耗運行，若不用可將其置為高電平；S為片選信號，為低電平時表示器件被選中，否則工作在待機狀態；Q為串行數據輸出，數據在時鐘的下降沿輸出Flash器件；D為串行數據輸入，包括傳輸指令、地址和輸人數據，輸入信號在時鐘的上升沿鎖存Flash器件中。C為串行時鐘，由FPGA提供時鐘。由于時鐘信號速率較高，所以在PCB布線時要特別注意減少干擾，最好采用地線屏蔽。

3 M25P80的指令操作

M25P80共有12條操作指令，所有指令都是8位，操作時先將片選信號(S)拉低選中器件，然后輸入8位操作指令字節，串行數據在片選信號S拉低后的第一個時鐘的上升沿被采樣，M25P80啟動內部控制邏輯，自行完成相應操作。指令后有時需輸入地址字節，必要時還要加入啞讀字節，最后操作完畢后再將片選信號拉高。下面簡單介紹幾條最常用的指令操作。

3.1 寫使能指令

頁面編程時，在寫寄存器或者擦除之前，必須先使用寫使能指令設置寄存器的寫使能位。在上電或寫使能無效指令操作，以及頁面編程、寫寄存器及擦除指令完成時，該寫使能位復位。寫使能指令的時序比較簡單，指令0000 0110(06h)在片選信號拉低后的第一個時鐘的上升沿送入Flash，先輸入高位，指令輸入完成后立即拉高片選信號，否則Flash的保護機制則認為是干擾信號而不執行該指令。寫無效指令與寫使能指令類似，只是輸入的指令代碼為0000 0100(04h)。

3.2 讀／寫狀態寄存器

狀態寄存器在任何時候都可讀，即使在頁面編程、擦除或者寫寄存器時也可讀取寄存器，可被連續讀取狀態寄存器。片選信號拉低后立即送人8位的讀寄存器指令，接下來Flash將內部寄存器的數值串行輸出，8位寄存器內容反復輸出。

寫狀態寄存器的操作步驟：寫使能指令輸入完成后，拉高片選信號，Flash執行讀使能指令設置寄存器。然后拉低片選信號，輸入寫寄存器指令和數據，隨后必須馬上拉高片選信號。

3.3 讀數據指令

片選信號拉低后，首先輸入8位讀數據指令，再輸入所要讀取內容的24位首地址，地址指向的數據在時鐘的下降沿輸出。數據輸出后，地址自動遞增，并指向下一個地址。傳輸下一個地址指向的數據，當地址達到最高位后自動轉向首地址000000h，如此循環，讀出Flash中的全部內容，直到片選信號拉高。讀數據指令時序如圖2所示。

3.4 頁面編程指令

在頁面編程之前，首先要輸入寫使能指令，Flash完成寄存器設置后片選信號拉低，輸入頁面編程指令，緊接著輸入編程地址和輸入數據。一次最多可輸入256字節數據，如果超出則只保留最后輸入的256字節。如果輸入的地址低8位不全為零，則從輸入的地址開始編程，編程至該頁最后，再從該頁的起始位置開始編寫。數據輸人完畢后片選信號必須置高。否則不執行頁面編程指令。頁面編程指令時序圖如圖3所示。

3.5 擦除指令

擦除指令將Flash中的0置為1，分為部分擦除和整體擦除兩種指令。整體擦除指令和寫使能指令類似。只是輸入的指令代碼不同，而部分擦除指令只需要在指令代碼后輸入需要擦除的地址即可，一次可擦除一塊。執行這兩條指令之前，需要先執行寫使能指令。

4 硬件實現

Flash正常工作時必須嚴格按照Flash的時序控制信號。首次使用Flash時一定要先進行擦除操作，編程指令可以將1變為0。往Flash中寫入數據時，先將數據寫入FPGA的ROM中，然后在FPGA內部根據Flash的頁面編程時序將數據寫入Flash中。選用Altera公司的FPGA，所需的ROM模塊可以直接調用QuartusII中的宏功能模塊，編寫一個控制模塊控制讀取ROM的時間及地址，并將數據按照Flash的時序送入Flash中．頁面編程的模塊圖如圖4所示。選用的Flash容量較大，一般FPGA沒有這么大的存儲空間，所以數據可分多次寫入。FPGA的ROM中的數據保存在.mif文件中，.mif由Matlab直接生成.mif文件，也可在QuartusII軟件中生成。

Flash中的數據只要按照讀時序要求就可以順利讀入FPGA中進行運算。在調試中，為了驗證程序的正確性，可將從Flash中讀出的數據通過串口送到計算機，模塊圖如圖5所示。圖中的txmit為串口的發送端模塊圖，它負責將接收到的數據按照RS232C的時序格式輸出至計算機。flash_read模塊按照Flash的讀數據格式發出控制信號，并將從Flash讀出的數據按照字節打包送到txmit模塊。讀時序驗證無誤后，去除txmit模塊，將由Flash讀出的數據送到其他模塊參與運算。

需要注意的是，一些指令在操作完成后，需要留出一段時間Flash進行數據處理，如寫寄存器周期(tw)為5 ms～15 ms，頁面編程周期(tpp)為1.4 ms～5 ms，部分擦除周期(tse)為1 s～3 s，而整體擦除周期(tBE)為10 s～20 s。這些指令輸入結束后拉高片選信號足夠長的時間，也可以在執行這些指令操作的同時讀取內部寄存器值，以監控上述周期是否結束。一旦檢測到指令執行完畢則執行后續操作，這樣可節省時間。如果忽略了Flash的處理時間則會發生錯誤，導致Flash無法正確執行指令。

5 結束語

數字電路設計中經常需要使用大容量存儲器，串行Flash體積小、占用系統資源少、連線簡單。隨著微電子技術的迅猛發展，FPGA在數字電路設計中所發揮的作用越來越大，廣泛應用于系統實現及功能驗證。利用FPGA直接控制flash接口時序，不僅節約了專用編程器的開支，而且方便靈活、便于移植。使用硬件描述語言編寫的接口時序，可重復利用，可移植性強。FPGA的靈活性和串行Flash的體積小的特點相結合，具有設計靈活、成本低廉、實用性強等優勢，并具有重要的參考價值。