【接口時(shí)序】QSPI Flash的原理與QSPI時(shí)序的Verilog實(shí)現(xiàn)
一、 軟件平臺(tái)與硬件平臺(tái)
軟件平臺(tái)：
1、操作系統(tǒng)：Windows-8.1
2、開(kāi)發(fā)套件：ISE14.7
3、仿真工具：ModelSim-10.4-SE
4、Matlab版本：Matlab2014b/Matlab2016a
硬件平臺(tái)：
1、 FPGA型號(hào)：Xilinx公司的XC6SLX45-2CSG324
2、 Flash型號(hào)：WinBond公司的W25Q128BV?? Quad SPI Flash存儲(chǔ)器
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二、 原理介紹
上一篇博客《SPI總線的原理與FPGA實(shí)現(xiàn)》中已經(jīng)有關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議的原理與時(shí)序的介紹，這里不再贅述。本節(jié)主要是討論QSPI(Quad SPI，四線SPI總線)的相關(guān)內(nèi)容。我的開(kāi)發(fā)板上有一片型號(hào)是W25Q128BV的Quad SPI Flash存儲(chǔ)器，本文將以它為例子來(lái)說(shuō)明QSPI操作的一些內(nèi)容。
W25Q128BV的Quad SPI Flash存儲(chǔ)器的Top View如下圖所示
這塊芯片一共有8個(gè)有用的管腳，其每個(gè)管腳的功能定義如下圖所示
由上圖可知2號(hào)管腳DO(IO1)，3號(hào)管腳 /WP(IO2)，5號(hào)管腳DI(IO0)以及7號(hào)管腳/HOLD(IO3)均為雙向IO口，所以在編寫(xiě)Verilog代碼的時(shí)候要把它們定義為inout類(lèi)型，inout類(lèi)型的信號(hào)既可以做輸出也可以作為輸入，具體在代碼里面如何處理后文會(huì)有介紹。
QSPI Flash每個(gè)引腳的詳細(xì)描述如下：
1、Chip Select(/CS)
????? 片選信號(hào)Chip Select(/CS)的作用是使能或者不使能設(shè)備的操作，當(dāng)CS為高時(shí)，表示設(shè)備未被選中，串行數(shù)據(jù)輸出線(DO或IO0，IO1，IO2，IO3)均處于高阻態(tài)，當(dāng)CS為低時(shí)，表示設(shè)備被選中，F(xiàn)PGA可以給QSPI Flash發(fā)送數(shù)據(jù)或從QSPI Flash接收數(shù)據(jù)。
2、串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)DI以及串行輸出信號(hào)DO
????? W25Q128BV支持標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議，雙線SPI(Dual SPI)協(xié)議與四線SPI(Quad SPI)協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)的SPI協(xié)議在串行時(shí)鐘信號(hào)(SCLK)的上升沿把串行輸入信號(hào)DI上的數(shù)據(jù)存入QSPI Flash中，在串行時(shí)鐘信號(hào)(SCLK)的下降沿把QSPI Flash中的數(shù)據(jù)串行化通過(guò)單向的DO引腳輸出。而在Dual SPI與Quad SPI中，DI與DO均為雙向信號(hào)(既可以作為輸入，也可以作為輸出)。
3、Write Project(/WP)
????? 寫(xiě)保護(hù)信號(hào)的作用是防止QSPI Flash的狀態(tài)寄存器被寫(xiě)入錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，WP信號(hào)低電平有效，但是當(dāng)狀態(tài)寄存器2的QE位被置1時(shí)，WP信號(hào)失去寫(xiě)保護(hù)功能，它變成Quad SPI的一個(gè)雙向數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)。
4、HOLD(/HOLD)
????? HOLD信號(hào)的作用是暫停QSPI Flash的操作。當(dāng)HOLD信號(hào)為低，并且CS也為低時(shí)，串行輸出信號(hào)DO將處于高阻態(tài)，串行輸入信號(hào)DI與串行時(shí)鐘信號(hào)SCLK將被QSPI Flash忽略。當(dāng)HOLD拉高以后，QSPI Flash的讀寫(xiě)操作能繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)多個(gè)SPI設(shè)備共享同一組SPI總線相同的信號(hào)的時(shí)候，可以通過(guò)HOLD來(lái)切換信號(hào)的流向。和WP信號(hào)一樣，當(dāng)當(dāng)狀態(tài)寄存器2的QE位被置1時(shí)，HOLD信號(hào)失去保持功能，它也變成Quad SPI的一個(gè)雙向數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)。
5、串行時(shí)鐘線
????? 串行時(shí)鐘線用來(lái)提供串行輸入輸出操作的時(shí)鐘。
W25Q128BV的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：
更多詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)閱讀W25Q128BV的芯片手冊(cè)。由于本文要進(jìn)行4線SPI的操作，但QSPI Flash默認(rèn)的操作模式是標(biāo)準(zhǔn)單線SPI模式，所以在每次進(jìn)行4線SPI操作的時(shí)候一定要先把狀態(tài)寄存器2的QE位(倒數(shù)第2位)置1，然后才能進(jìn)行QSPI操作。
最后介紹一下我的開(kāi)發(fā)板上QSPI Flash硬件原理圖如下圖所示：
三、 目標(biāo)任務(wù)
1、編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)SPI 協(xié)議 Verilog代碼來(lái)操作QSPI Flash，并用ChipScope抓出各個(gè)指令的時(shí)序與芯片手冊(cè)提供的時(shí)序進(jìn)行對(duì)比
2、在標(biāo)準(zhǔn)SPI協(xié)議的基礎(chǔ)上增加Quad SPI的功能，并用ChipScope抓出Quad SPI的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)序
3、對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)SPI與Quad SPI讀寫(xiě)W25Q128BV的ChipScope時(shí)序，感受二者的效率差距
四、 設(shè)計(jì)思路與Verilog代碼編寫(xiě)
4.1、 命令類(lèi)型的定義
W25Q128BV一共有35條命令，這里不可能把所有命令的邏輯都寫(xiě)出來(lái)，所以截取了一部分常用的命令作為示例來(lái)說(shuō)明QSPI Flash的操作方法。由于命令數(shù)目很多，所以在這個(gè)部分先對(duì)各個(gè)命令類(lèi)型做一個(gè)初步定義，下文的代碼就是按照這個(gè)定義來(lái)編寫(xiě)的。
| 命令編號(hào) |
命令類(lèi)型(自定義) |
命令碼(芯片手冊(cè)定義) |
命令功能 |
| 1 |
5’b0XXXX |
8’h00 |
無(wú) |
| 2 |
5’b10000 |
8’h90 |
讀設(shè)備ID |
| 3 |
5’b10001 |
8’h06 |
寫(xiě)使能 |
| 4 |
5’b10010 |
8’h20 |
扇區(qū)擦除 |
| 5 |
5’b10011 |
8’h05/8’h35 |
讀狀態(tài)寄存器1/2 |
| 6 |
5’b10100 |
8’h04 |
關(guān)閉寫(xiě)使能 |
| 7 |
5’b10101 |
8’h02 |
寫(xiě)數(shù)據(jù)操作(單線模式) |
| 8 |
5’b10110 |
8’h01 |
寫(xiě)狀態(tài)寄存器 |
| 9 |
5’b10111 |
8’h03 |
讀數(shù)據(jù)操作(單線模式) |
| 10 |
5’b11000 |
8’h32 |
寫(xiě)數(shù)據(jù)操作(四線模式) |
| 11 |
5’b11001 |
8’h6b |
讀數(shù)據(jù)操作(四線模式) |
說(shuō)明：
1、命令類(lèi)型是我自己隨便定義的，可以隨便修改。命令碼是芯片手冊(cè)上定義好，不能修改，更詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)參考W25Q128芯片手冊(cè)。
2、命令類(lèi)型的最高位是使能位，只有當(dāng)最高位為1時(shí)，命令才有效(在代碼里面寫(xiě)的就是只有當(dāng)最高位為1時(shí)才能進(jìn)入SPI操作的狀態(tài)機(jī))。
3、進(jìn)行四線讀寫(xiě)操作之前，一定要把四線讀寫(xiě)功能的使能位打開(kāi)，方法是通過(guò)寫(xiě)狀態(tài)寄存器命令把狀態(tài)寄存器2的QE位(倒數(shù)第二位)置1。
4.2、 如何用Matlab產(chǎn)生存放在ROM中的.coe文件格式的數(shù)據(jù)
上一節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)把存放在ROM中的數(shù)據(jù)用SPI總線發(fā)出來(lái)的例子，ROM里面只存放了10個(gè)數(shù)據(jù)，所以可以直接把這10個(gè)數(shù)據(jù)填寫(xiě)到.coe文件就可以了，由于QSPI Flash的頁(yè)編程(寫(xiě)數(shù)據(jù))指令最大支持256字節(jié)的寫(xiě)操作，所以下面的例子的功能是把ROM中存放的256個(gè)字節(jié)(8-bit)數(shù)據(jù)先寫(xiě)入QSPI Flash中，然后在讀出來(lái)。由于數(shù)據(jù)太多(256個(gè)),所以一個(gè)一個(gè)填寫(xiě)肯定不現(xiàn)實(shí)，所以可以利用Matlab來(lái)直接產(chǎn)生.coe文件，Matlab的完整代碼如下：
width=8; %rom中數(shù)據(jù)的寬度
depth=256; %rom的深度
y=0:255;
y=fliplr(y); %產(chǎn)生要發(fā)送的數(shù)據(jù)，255,254,253，...... ，2,1,0
fid = fopen('test_data.coe', 'w'); % 打開(kāi)一個(gè).coe文件
% 存放在ROM中的.coe文件第一行必須是這個(gè)字符串，16表示16進(jìn)制，可以改成其他進(jìn)制
fprintf(fid,'memory_initialization_radix=16;\n');
% 存放在ROM中的.coe文件第二行必須是這個(gè)字符串
fprintf(fid,'memory_initialization_vector=\n');
% 把前255個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入.coe文件中，并用逗號(hào)隔開(kāi)，為了方便知道數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，每行只寫(xiě)一個(gè)數(shù)據(jù)
fprintf(fid,'%x,\n',y(1:end-1));
% 把最后一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入.coe文件中，并用分號(hào)結(jié)尾
fprintf(fid,'%x;\n',y(end));
fclose(fid); % 關(guān)閉文件指針
用Matlab2014b運(yùn)行上面的代碼以后會(huì)在與這個(gè).m文件相同的目錄下產(chǎn)生一個(gè).coe文件，這個(gè).coe文件可以導(dǎo)入到ROM中。
4.3、 標(biāo)準(zhǔn)SPI總線操作QSPI Flash思路與代碼編寫(xiě)
上一篇博客《SPI總線的原理與FPGA實(shí)現(xiàn)》已經(jīng)介紹過(guò)用spi_module這個(gè)模塊去讀取QSPI Flash的Manufacturer/Device? ID，事實(shí)上除了上篇博客提供的那種方法以外，還可以直接在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)鐘信號(hào)的上升沿來(lái)接受數(shù)據(jù)來(lái)完成讀ID的操作，當(dāng)FPGA在時(shí)鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，那么時(shí)鐘的上升沿剛好在數(shù)據(jù)的正中間，QSPI Flash剛好可以在這個(gè)上升沿把數(shù)據(jù)讀進(jìn)來(lái)，讀操作則正好相反。但是有很多有經(jīng)驗(yàn)的人告訴我在設(shè)計(jì)中如非必要最好不要使用時(shí)鐘下降沿觸發(fā)的設(shè)計(jì)方法，可能是因?yàn)榇蠖鄶?shù)FPGA里面的Flip Flops資源都是上升沿觸發(fā)的，如果在Verilog代碼采用下降沿觸發(fā)的話 ，綜合的時(shí)候會(huì)在CLK輸入信號(hào)前面綜合出一個(gè)反相器，這個(gè)反相器可能會(huì)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量有影響，具體的原因等我再Google上繼續(xù)搜索一段時(shí)間在說(shuō)。這個(gè)例子由于狀態(tài)機(jī)相較前幾篇博客來(lái)說(shuō)相對(duì)復(fù)雜，所以接下來(lái)寫(xiě)代碼我還是采用下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，上升沿接收數(shù)據(jù)的方式來(lái)描述這個(gè)狀態(tài)機(jī)。
接下來(lái)的任務(wù)就是抽象出一個(gè)狀態(tài)機(jī)。上一篇博客僅僅讀一個(gè)ID就用了6個(gè)狀態(tài)，所以采用上一篇博客的設(shè)計(jì)思路顯然不太現(xiàn)實(shí)，但對(duì)于初學(xué)者而言，上一篇博客仍然有一個(gè)基本的指引作用。通過(guò)閱讀QSPI Flash的芯片手冊(cè)，可以發(fā)現(xiàn)，所有的命令其實(shí)至多由以下三個(gè)部分組成：
1、發(fā)送8-bit的命令碼
2、發(fā)送24-bit的地址碼
3、發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)
所有命令的狀態(tài)跳變圖可由下圖描述
所以按照這個(gè)思路來(lái)思考的話抽象出來(lái)的狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)并不多。單線模式的狀態(tài)為以下幾個(gè)：
1、空閑狀態(tài)：用來(lái)初始化各個(gè)寄存器的值
2、發(fā)送命令狀態(tài)：用來(lái)發(fā)送8-bit的命令碼
3、發(fā)送地址狀態(tài)：用來(lái)發(fā)送24-bit的地址碼
4、讀等待狀態(tài)：當(dāng)讀數(shù)據(jù)操作正在進(jìn)行的時(shí)候進(jìn)入此狀態(tài)等待讀數(shù)據(jù)完畢
5、寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)(單線模式)：在這個(gè)狀態(tài)FPGA往QSPI Flash里面寫(xiě)數(shù)據(jù)
6、結(jié)束狀態(tài)：一條指令操作結(jié)束，并給出一個(gè)結(jié)束標(biāo)志
完整的代碼如下：
`timescale 1ns / 1ps
module qspi_driver
(
output O_qspi_clk , // SPI總線串行時(shí)鐘線
output reg O_qspi_cs , // SPI總線片選信號(hào)
output reg O_qspi_mosi , // SPI總線輸出信號(hào)線，也是QSPI Flash的輸入信號(hào)線
input I_qspi_miso , // SPI總線輸入信號(hào)線，也是QSPI Flash的輸出信號(hào)線
input I_rst_n , // 復(fù)位信號(hào)
input I_clk_25M , // 25MHz時(shí)鐘信號(hào)
input [4:0] I_cmd_type , // 命令類(lèi)型
input [7:0] I_cmd_code , // 命令碼
input [23:0] I_qspi_addr , // QSPI Flash地址
output reg O_done_sig , // 指令執(zhí)行結(jié)束標(biāo)志
output reg [7:0] O_read_data , // 從QSPI Flash讀出的數(shù)據(jù)
output reg O_read_byte_valid , // 讀一個(gè)字節(jié)完成的標(biāo)志
output reg [3:0] O_qspi_state // 狀態(tài)機(jī)，用于在頂層調(diào)試用
);
parameter C_IDLE = 4'b0000 ; // 空閑狀態(tài)
parameter C_SEND_CMD = 4'b0001 ; // 發(fā)送命令碼
parameter C_SEND_ADDR = 4'b0010 ; // 發(fā)送地址碼
parameter C_READ_WAIT = 4'b0011 ; // 讀等待
parameter C_WRITE_DATA = 4'b0101 ; // 寫(xiě)數(shù)據(jù)
parameter C_FINISH_DONE = 4'b0110 ; // 一條指令執(zhí)行結(jié)束
reg [7:0] R_read_data_reg ; // 從Flash中讀出的數(shù)據(jù)用這個(gè)變量進(jìn)行緩存，等讀完了在把這個(gè)變量的值給輸出
reg R_qspi_clk_en ; // 串行時(shí)鐘使能信號(hào)
reg R_data_come_single ; // 單線操作讀數(shù)據(jù)使能信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)為高時(shí)
reg [7:0] R_cmd_reg ; // 命令碼寄存器
reg [23:0] R_address_reg ; // 地址碼寄存器
reg [7:0] R_write_bits_cnt ; // 寫(xiě)bit計(jì)數(shù)器，寫(xiě)數(shù)據(jù)之前把它初始化為7，發(fā)送一個(gè)bit就減1
reg [8:0] R_write_bytes_cnt ; // 寫(xiě)字節(jié)計(jì)數(shù)器，發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)就把它加1
reg [7:0] R_read_bits_cnt ; // 寫(xiě)bit計(jì)數(shù)器，接收一個(gè)bit就加1
reg [8:0] R_read_bytes_cnt ; // 讀字節(jié)計(jì)數(shù)器，接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)就把它加1
reg [8:0] R_read_bytes_num ; // 要接收的數(shù)據(jù)總數(shù)
reg R_read_finish ; // 讀數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志位
wire [7:0] W_rom_addr ;
wire [7:0] W_rom_out ;
assign O_qspi_clk = R_qspi_clk_en ? I_clk_25M : 0 ; // 產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)
assign W_rom_addr = R_write_bytes_cnt ;
// 功能：用時(shí)鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)
always @(negedge I_clk_25M)
begin
if(!I_rst_n)
begin
O_qspi_cs <= 1'b1 ;
O_qspi_state <= C_IDLE ;
R_cmd_reg <= 0 ;
R_address_reg <= 0 ;
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ; //SPI clock輸出不使能
R_write_bits_cnt <= 0 ;
R_write_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_bytes_num <= 0 ;
R_address_reg <= 0 ;
O_done_sig <= 1'b0 ;
R_data_come_single <= 1'b0 ;
end
else
begin
case(O_qspi_state)
C_IDLE: // 初始化各個(gè)寄存器，當(dāng)檢測(cè)到命令類(lèi)型有效(命令類(lèi)型的最高位位1)以后,進(jìn)入發(fā)送命令碼狀態(tài)
begin
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ;
O_qspi_cs <= 1'b1 ;
O_qspi_mosi <= 1'b0 ;
R_cmd_reg <= I_cmd_code ;
R_address_reg <= I_qspi_addr ;
O_done_sig <= 1'b0 ;
if(I_cmd_type[4] == 1'b1)
begin //如果flash操作命令請(qǐng)求
O_qspi_state <= C_SEND_CMD ;
R_write_bits_cnt <= 7 ;
R_write_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_bytes_num <= 0 ;
end
end
C_SEND_CMD: // 發(fā)送8-bit命令碼狀態(tài)
begin
R_qspi_clk_en <= 1'b1 ; // 打開(kāi)SPI串行時(shí)鐘SCLK的使能開(kāi)關(guān)
O_qspi_cs <= 1'b0 ; // 拉低片選信號(hào)CS
if(R_write_bits_cnt > 0)
begin //如果R_cmd_reg還沒(méi)有發(fā)送完
O_qspi_mosi <= R_cmd_reg[R_write_bits_cnt] ; //發(fā)送bit7~bit1位
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt-1'b1 ;
end
else
begin //發(fā)送bit0
O_qspi_mosi <= R_cmd_reg[0] ;
if ((I_cmd_type[3:0] == 4'b0001) | (I_cmd_type[3:0] == 4'b0100))
begin //如果是寫(xiě)使能指令(Write Enable)或者寫(xiě)不使能指令(Write Disable)
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0011)
begin //如果是讀狀態(tài)寄存器指令(Read Register)
O_qspi_state <= C_READ_WAIT ;
R_write_bits_cnt <= 7 ;
R_read_bytes_num <= 1 ;//讀狀態(tài)寄存器指令需要接收一個(gè)數(shù)據(jù)
end
else if( (I_cmd_type[3:0] == 4'b0010) || (I_cmd_type[3:0] == 4'b0101) || (I_cmd_type[3:0] == 4'b0111) || (I_cmd_type[3:0] == 4'b0000) )
begin // 如果是扇區(qū)擦除(Sector Erase),頁(yè)編程指令(Page Program),讀數(shù)據(jù)指令(Read Data),讀設(shè)備ID指令(Read Device ID)
O_qspi_state <= C_SEND_ADDR ;
R_write_bits_cnt <= 23 ; // 這幾條指令后面都需要跟一個(gè)24-bit的地址碼
end
end
end
C_SEND_ADDR: // 發(fā)送地址狀態(tài)
begin
if(R_write_bits_cnt > 0) //如果R_cmd_reg還沒(méi)有發(fā)送完
begin
O_qspi_mosi <= R_address_reg[R_write_bits_cnt] ; //發(fā)送bit23~bit1位
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt - 1 ;
end
else
begin
O_qspi_mosi <= R_address_reg[0] ; //發(fā)送bit0
if(I_cmd_type[3:0] == 4'b0010) // 扇區(qū)擦除(Sector Erase)指令
begin //扇區(qū)擦除(Sector Erase)指令發(fā)完24-bit地址碼就執(zhí)行結(jié)束了，所以直接跳到結(jié)束狀態(tài)
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0101) // 頁(yè)編程(Page Program)指令
begin
O_qspi_state <= C_WRITE_DATA ;
R_write_bits_cnt <= 7 ;
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0000) // 讀Device ID指令
begin
O_qspi_state <= C_READ_WAIT ;
R_read_bytes_num <= 2 ; //接收2個(gè)數(shù)據(jù)的Device ID
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0111) // 讀數(shù)據(jù)(Read Data)指令
begin
O_qspi_state <= C_READ_WAIT ;
R_read_bytes_num <= 256 ; //接收256個(gè)數(shù)據(jù)
end
end
end
C_READ_WAIT: // 讀等待狀態(tài)
begin
if(R_read_finish)
begin
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
R_data_come_single <= 1'b0 ;
end
else
begin
R_data_come_single <= 1'b1 ; // 單線模式下讀數(shù)據(jù)標(biāo)志信號(hào)，此信號(hào)為高標(biāo)志正在接收數(shù)據(jù)
end
end
C_WRITE_DATA: // 寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)
begin
if(R_write_bytes_cnt < 256) // 往QSPI Flash中寫(xiě)入 256個(gè)數(shù)據(jù)
begin
if(R_write_bits_cnt > 0) //如果數(shù)據(jù)還沒(méi)有發(fā)送完
begin
O_qspi_mosi <= W_rom_out[R_write_bits_cnt] ; //發(fā)送bit7~bit1位
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt - 1'b1 ;
end
else
begin
O_qspi_mosi <= W_rom_out[0] ; //發(fā)送bit0
R_write_bits_cnt <= 7 ;
R_write_bytes_cnt <= R_write_bytes_cnt + 1'b1 ;
end
end
else
begin
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ;
end
end
C_FINISH_DONE:
begin
O_qspi_cs <= 1'b1 ;
O_qspi_mosi <= 1'b0 ;
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ;
O_done_sig <= 1'b1 ;
R_data_come_single <= 1'b0 ;
O_qspi_state <= C_IDLE ;
end
default:O_qspi_state <= C_IDLE ;
endcase
end
end
//
// 功能：接收QSPI Flash發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
//
always @(posedge I_clk_25M)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_read_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_bits_cnt <= 0 ;
R_read_finish <= 1'b0 ;
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
R_read_data_reg <= 0 ;
O_read_data <= 0 ;
end
else if(R_data_come_single) // 此信號(hào)為高表示接收數(shù)據(jù)從QSPI Flash發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
begin
if(R_read_bytes_cnt < R_read_bytes_num)
begin
if(R_read_bits_cnt < 7) //接收一個(gè)Byte的bit0~bit6
begin
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
R_read_data_reg <= {R_read_data_reg[6:0],I_qspi_miso} ;
R_read_bits_cnt <= R_read_bits_cnt + 1'b1 ;
end
else
begin
O_read_byte_valid <= 1'b1 ; //一個(gè)byte數(shù)據(jù)有效
O_read_data <= {R_read_data_reg[6:0],I_qspi_miso} ; //接收bit7
R_read_bits_cnt <= 0 ;
R_read_bytes_cnt <= R_read_bytes_cnt + 1'b1 ;
end
end
else
begin
R_read_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_finish <= 1'b1 ;
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
end
end
else
begin
R_read_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_bits_cnt <= 0 ;
R_read_finish <= 1'b0 ;
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
R_read_data_reg <= 0 ;
end
end
rom_data rom_data_inst (
.clka(I_clk_25M), // input clka
.addra(W_rom_addr), // input [7 : 0] addra
.douta(W_rom_out) // output [7 : 0] douta
);
endmodule
接下來(lái)就是寫(xiě)一個(gè)測(cè)試代碼對(duì)這個(gè)單線模式SPI驅(qū)動(dòng)，為了保證把上面的所有指令都測(cè)試一遍，測(cè)試代碼如下：
module qspi_top
(
input I_clk ,
input I_rst_n ,
output O_qspi_clk , // SPI總線串行時(shí)鐘線
output O_qspi_cs , // SPI總線片選信號(hào)
output O_qspi_mosi , // SPI總線輸出信號(hào)線，也是QSPI Flash的輸入信號(hào)線
input I_qspi_miso // SPI總線輸入信號(hào)線，也是QSPI Flash的輸出信號(hào)線
);
reg [3:0] R_state ;
reg [7:0] R_flash_cmd ;
reg [23:0] R_flash_addr ;
reg R_clk_25M ;
reg [4:0] R_cmd_type ;
wire W_done_sig ;
wire [7:0] W_read_data ;
wire W_read_byte_valid ;
wire [2:0] R_qspi_state ;
//功能：二分頻邏輯
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_clk_25M <= 1'b0 ;
else
R_clk_25M <= ~R_clk_25M ;
end
//功能：測(cè)試狀態(tài)機(jī)
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_state <= 4'd0 ;
R_flash_addr <= 24'd0 ;
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
case(R_state)
4'd0://讀Device ID指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h90 ;
R_flash_addr <= 24'd0 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0000 ;
end
end
4'd1://寫(xiě)Write disable instruction
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h04 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0100 ;
end
end
4'd2://寫(xiě)使能(Write Enable)指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h06 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0001 ;
end
end
4'd3:// 扇區(qū)擦除(Sector Erase)指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h20 ;
R_flash_addr<= 24'd0 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0010 ;
end
end
4'd4://讀狀態(tài)寄存器1, 當(dāng)Busy位(狀態(tài)寄存器1的最低位)為0時(shí)表示擦除操作完成
begin
if(W_done_sig)
begin
if(W_read_data[0]==1'b0)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h05 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0011 ;
end
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h05 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0011 ;
end
end
4'd5://寫(xiě)使能(Write Enable)指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h06 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0001 ;
end
end
4'd6: //頁(yè)編程操作(Page Program): 把存放在ROM中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入QSPI Flash中
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h02 ;
R_flash_addr<= 24'd0 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0101 ;
end
end
4'd7://讀狀態(tài)寄存器1, 當(dāng)Busy位(狀態(tài)寄存器1的最低位)為0時(shí)表示寫(xiě)操作完成
begin
if(W_done_sig)
begin
if(W_read_data[0]==1'b0)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h05 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0011 ;
end
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h05 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0011 ;
end
end
4'd8://讀256 Bytes
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h03 ;
R_flash_addr<= 24'd0 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0111 ;
end
end
4'd9:// 空閑狀態(tài)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= 4'd9 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
default : R_state <= 4'd0 ;
endcase
end
end
qspi_driver U_qspi_driver
(
.O_qspi_clk (O_qspi_clk ), // SPI總線串行時(shí)鐘線
.O_qspi_cs (O_qspi_cs ), // SPI總線片選信號(hào)
.O_qspi_mosi (O_qspi_mosi ), // SPI總線輸出信號(hào)線，也是QSPI Flash的輸入信號(hào)線
.I_qspi_miso (I_qspi_miso ), // SPI總線輸入信號(hào)線，也是QSPI Flash的輸出信號(hào)線
.I_rst_n (I_rst_n ), // 復(fù)位信號(hào)
.I_clk_25M (R_clk_25M ), // 25MHz時(shí)鐘信號(hào)
.I_cmd_type (R_cmd_type ), // 命令類(lèi)型
.I_cmd_code (R_flash_cmd ), // 命令碼
.I_qspi_addr (R_flash_addr ), // QSPI Flash地址
.O_done_sig (W_done_sig ), // 指令執(zhí)行結(jié)束標(biāo)志
.O_read_data (W_read_data ), // 從QSPI Flash讀出的數(shù)據(jù)
.O_read_byte_valid (W_read_byte_valid ), // 讀一個(gè)字節(jié)完成的標(biāo)志
.O_qspi_state (R_qspi_state ) // 狀態(tài)機(jī)，用于在頂層調(diào)試用
);
wire [35:0] CONTROL0 ;
wire [69:0] TRIG0 ;
icon icon_inst (
.CONTROL0(CONTROL0) // INOUT BUS [35:0]
);
ila ila_inst (
.CONTROL(CONTROL0) , // INOUT BUS [35:0]
.CLK(I_clk) , // IN
.TRIG0(TRIG0) // IN BUS [255:0]
);
assign TRIG0[7:0] = W_read_data ;
assign TRIG0[8] = W_read_byte_valid ;
assign TRIG0[12:9] = R_state ;
assign TRIG0[16:13] = R_qspi_state ;
assign TRIG0[17] = W_done_sig ;
assign TRIG0[18] = I_qspi_miso ;
assign TRIG0[19] = O_qspi_mosi ;
assign TRIG0[20] = O_qspi_cs ;
assign TRIG0[21] = O_qspi_clk ;
assign TRIG0[26:22] = R_cmd_type ;
assign TRIG0[34:27] = R_flash_cmd ;
assign TRIG0[58:35] = R_flash_addr ;
assign TRIG0[59] = I_rst_n ;
endmodule
接下來(lái)主要看看用ChipScope抓出來(lái)的時(shí)序圖和芯片手冊(cè)規(guī)定的時(shí)序圖是否完全一致。
1、讀ID指令
??????? 芯片手冊(cè)指令的讀ID指令時(shí)序圖：
ChipScope抓出來(lái)的時(shí)序圖
2、寫(xiě)不使能(Write Disable)指令
??????? 芯片手冊(cè)指令的寫(xiě)不使能時(shí)序圖：
??????? ChipScope抓出來(lái)的寫(xiě)不使能時(shí)序圖：
3、寫(xiě)使能(Write Enable)指令
??????? 芯片手冊(cè)指令的寫(xiě)使能時(shí)序圖：
???????? ChipScope抓出來(lái)的寫(xiě)使能時(shí)序圖
3、扇區(qū)擦除(Sector Erase)指令
??????? 芯片手冊(cè)的扇區(qū)擦除指令時(shí)序圖：
??????? 芯片手冊(cè)的扇區(qū)擦除指令時(shí)序圖：
4、讀狀態(tài)寄存器(Read Status Register)指令
??????? 芯片手冊(cè)的讀狀態(tài)寄存器指令時(shí)序圖：
??????? ChipScope抓回來(lái)的讀狀態(tài)寄存器指令時(shí)序圖：
由于在擦除操作和寫(xiě)操作(Page Program)操作指令發(fā)送完畢以后，芯片內(nèi)部會(huì)自己執(zhí)行相關(guān)的操作并把狀態(tài)寄存器1中的最低位Busy位拉高，狀態(tài)寄存器1的各位如下：
所以讀狀態(tài)寄存器指令的目的是為了檢測(cè)Busy是否為高，Busy為高的話說(shuō)明擦除操作或?qū)懖僮?Page Program)操作指令并未完成，這種情況應(yīng)該等待不發(fā)送其他指令，等到Busy位拉低以后說(shuō)明擦除操作或?qū)懖僮?Page Program)操作指令已經(jīng)完成，這時(shí)才可以執(zhí)行后續(xù)的操作。值得注意的是，在上圖中讀到8個(gè)bit數(shù)據(jù)(上圖讀到的數(shù)據(jù)是0000_0011(8’h03))以后，O_qpsi_cs和O_qspi_clk信號(hào)仍然持續(xù)了2個(gè)周期的時(shí)間才變?yōu)榭臻e狀態(tài)，實(shí)際上，回過(guò)頭去看代碼的話很容易解釋這種情況，由于代碼里面是用時(shí)鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，而用時(shí)鐘的上升沿來(lái)接收數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)切換是通過(guò)R_data_coming_signal和R_read_finish信號(hào)來(lái)轉(zhuǎn)換的，所以導(dǎo)致了這種情況的發(fā)生。但是讀數(shù)據(jù)相關(guān)的指令并不要求完全8-bit對(duì)齊，如果在讀數(shù)據(jù)的過(guò)程中只要O_qpsi_cs一直為低，那么會(huì)一直重復(fù)讀下去，直至O_qpsi_cs拉高為止才停止讀數(shù)據(jù)，所以上面多出來(lái)的兩個(gè)時(shí)鐘并不會(huì)影響結(jié)果的正確性。
5、寫(xiě)數(shù)據(jù)(Page Program)指令(單線模式)
??????? 芯片手冊(cè)的寫(xiě)數(shù)據(jù)指令時(shí)序圖：
ChipScope抓回來(lái)的時(shí)序圖
6、讀數(shù)據(jù)(Read Data)指令(單線模式)
??????? 芯片手冊(cè)的讀數(shù)據(jù)指令時(shí)序圖：
ChipScope抓回來(lái)的時(shí)序圖：
通過(guò)上面用ChipScope抓回來(lái)的時(shí)序圖與芯片手冊(cè)的時(shí)序圖進(jìn)行對(duì)比可以很清晰的理解整個(gè)QSPI Flash的操作流程與時(shí)序細(xì)節(jié)。
4.4、 如何處理雙向信號(hào)(Verilog中用關(guān)鍵詞inout定義的信號(hào)都是雙向信號(hào))
四線操作中IO0，IO1，IO2和IO3全部都可以用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收數(shù)據(jù)，所以在編寫(xiě)代碼的時(shí)候要把它們?nèi)慷x成雙向類(lèi)型的信號(hào)，即inout類(lèi)型。所以在編寫(xiě)四線操作的代碼之前有必要提前熟悉一下inout信號(hào)的處理方法。
總的來(lái)說(shuō)，inout信號(hào)大致有以下4個(gè)特征：
1、inout端口不能被賦值為reg型，因此，不能用于always語(yǔ)句中。
2、對(duì)于inout端口的邏輯判斷，要用到？：條件表達(dá)式，來(lái)控制高阻的賦值
3、inout信號(hào)需要有一個(gè)中轉(zhuǎn)的寄存器，在always語(yǔ)句中才可以將輸入的信號(hào)賦給輸出(用inout代替純output)
4、高阻態(tài)不要用于芯片內(nèi)部，應(yīng)該用邏輯引到引腳處，然后用高阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際上，F(xiàn)PGA內(nèi)部的雙向信號(hào)是通過(guò)一個(gè)三態(tài)門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)典型的三態(tài)門(mén)結(jié)構(gòu)如下
描述這個(gè)三態(tài)門(mén)的Verilog代碼如下：
module Test_inout
(
input I_clk,
input I_rst_n,
.
.
.
inout IO_data,
.
.
.
)
reg R_data_out ;
wire I_data_in ;
assign IO_data = Control ? R_data_out : 1'bz ;
assign I_data_in = IO_data ;
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
.
.
.
;
end
endmodule
? 上面的代碼表達(dá)的意思是：當(dāng)Control為1是，IO_data信號(hào)作為輸出，輸出R_data_out的值，當(dāng)Control為0時(shí)，IO_data信號(hào)作為輸入，輸入的值賦給I_data_in變量。
值得注意的是，inout作為輸出的時(shí)候不能直接給他賦值，而需要通過(guò)一個(gè)中間變量R_data_out來(lái)間接賦值，同時(shí)inout變量的輸入輸出屬性必須通過(guò)一個(gè)控制信號(hào)Control來(lái)控制，控制性號(hào)為高時(shí)為inout信號(hào)作為輸出，輸出R_data_out的值，為低時(shí)inout處于高阻狀態(tài)，這時(shí)才作為輸入接收外部的數(shù)據(jù)。
4.5、 四線SPI總線操作QSPI Flash思路與代碼編寫(xiě)
上一小節(jié)已經(jīng)完成了單線模式QSPI Flash的讀寫(xiě)以及其他相關(guān)操作，這一節(jié)將在上一節(jié)的基礎(chǔ)上加上四線讀寫(xiě)功能。通過(guò)進(jìn)一步閱讀W25Q128BV的芯片手冊(cè)可知，在進(jìn)行四線讀寫(xiě)操作之前一定要把QE(Quad Enable)位置為1，而QE位在狀態(tài)寄存器2的倒數(shù)第二位，見(jiàn)下圖
除此以外，四線讀操作還需要在讀數(shù)據(jù)之前等待8個(gè)dummy clock用來(lái)加快讀數(shù)據(jù)的速度(詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)閱讀芯片手冊(cè))。所以，四線操作相對(duì)于單線操作而言除了要增加四線模式讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的狀態(tài)以外還要增加一個(gè)寫(xiě)狀態(tài)寄存器的功能用來(lái)開(kāi)啟QE(Quad Enable)位以及一個(gè)dummy用來(lái)等待8個(gè)clock。
綜上所述，四線模式的狀態(tài)為以下幾個(gè)：
1、空閑狀態(tài)：用來(lái)初始化各個(gè)寄存器的值
2、發(fā)送命令狀態(tài)：用來(lái)發(fā)送8-bit的命令碼
3、發(fā)送地址狀態(tài)：用來(lái)發(fā)送24-bit的地址碼
4、讀等待狀態(tài)(單線模式)：當(dāng)讀數(shù)據(jù)操作正在進(jìn)行的時(shí)候進(jìn)入此狀態(tài)等待讀數(shù)據(jù)完畢
5、寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)(單線模式)：在這個(gè)狀態(tài)FPGA往QSPI Flash里面寫(xiě)數(shù)據(jù)
6、寫(xiě)狀態(tài)寄存器狀態(tài)：用來(lái)把狀態(tài)寄存器的QE(Quad Enable)置1
7、Dummy Clock狀態(tài)：四線讀數(shù)據(jù)之前需要等待8個(gè)dummy clock
8、寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)(四線模式)：在這個(gè)狀態(tài)FPGA往QSPI Flash里面通過(guò)四線模式寫(xiě)數(shù)據(jù)
9、讀等待狀態(tài)(四線模式)：在這個(gè)狀態(tài)等待FPGA從QSPI Flash里面通過(guò)四線模式讀數(shù)據(jù)完成
10、結(jié)束狀態(tài)：一條指令操作結(jié)束，并給出一個(gè)結(jié)束標(biāo)志
其中標(biāo)紅的狀態(tài)是四線模式的代碼在單線模式代碼的基礎(chǔ)上增加的四個(gè)狀態(tài)。
四線模式的完整代碼如下所示：
`timescale 1ns / 1ps
module qspi_driver
(
output O_qspi_clk , // QSPI Flash Quad SPI(QPI)總線串行時(shí)鐘線
output reg O_qspi_cs , // QPI總線片選信號(hào)
inout IO_qspi_io0 , // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
inout IO_qspi_io1 , // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
inout IO_qspi_io2 , // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
inout IO_qspi_io3 , // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
input I_rst_n , // 復(fù)位信號(hào)
input I_clk_25M , // 25MHz時(shí)鐘信號(hào)
input [4:0] I_cmd_type , // 命令類(lèi)型
input [7:0] I_cmd_code , // 命令碼
input [23:0] I_qspi_addr , // QSPI Flash地址
input [15:0] I_status_reg , // QSPI Flash狀態(tài)寄存器的值
output reg O_done_sig , // 指令執(zhí)行結(jié)束標(biāo)志
output reg [7:0] O_read_data , // 從QSPI Flash讀出的數(shù)據(jù)
output reg O_read_byte_valid , // 讀一個(gè)字節(jié)完成的標(biāo)志
output reg [3:0] O_qspi_state // 狀態(tài)機(jī)，用于在頂層調(diào)試用
);
parameter C_IDLE = 4'b0000 ; // 空閑狀態(tài)
parameter C_SEND_CMD = 4'b0001 ; // 發(fā)送命令碼
parameter C_SEND_ADDR = 4'b0010 ; // 發(fā)送地址碼
parameter C_READ_WAIT = 4'b0011 ; // 單線模式讀等待
parameter C_WRITE_DATA = 4'b0101 ; // 單線模式寫(xiě)數(shù)據(jù)到QSPI Flash
parameter C_FINISH_DONE = 4'b0110 ; // 一條指令執(zhí)行結(jié)束
parameter C_WRITE_STATE_REG = 4'b0111 ; // 寫(xiě)狀態(tài)寄存器
parameter C_WRITE_DATA_QUAD = 4'b1000 ; // 四線模式寫(xiě)數(shù)據(jù)到QSPI Flash
parameter C_DUMMY = 4'b1001 ; // 四線模式讀數(shù)據(jù)需要8個(gè)時(shí)鐘周期的dummy clock，這可以加快讀數(shù)據(jù)的速度
parameter C_READ_WAIT_QUAD = 4'b1010 ; // 四線模式讀等待狀態(tài)
// QSPI Flash IO輸入輸出狀態(tài)控制寄存器
reg R_qspi_io0 ;
reg R_qspi_io1 ;
reg R_qspi_io2 ;
reg R_qspi_io3 ;
reg R_qspi_io0_out_en ;
reg R_qspi_io1_out_en ;
reg R_qspi_io2_out_en ;
reg R_qspi_io3_out_en ;
reg [7:0] R_read_data_reg ; // 從Flash中讀出的數(shù)據(jù)用這個(gè)變量進(jìn)行緩存，等讀完了在把這個(gè)變量的值給輸出
reg R_qspi_clk_en ; // 串行時(shí)鐘使能信號(hào)
reg R_data_come_single ; // 單線操作讀數(shù)據(jù)使能信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)為高時(shí)
reg R_data_come_quad ; // 單線操作讀數(shù)據(jù)使能信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)為高時(shí)
reg [7:0] R_cmd_reg ; // 命令碼寄存器
reg [23:0] R_address_reg ; // 地址碼寄存器
reg [15:0] R_status_reg ; // 狀態(tài)寄存器
reg [7:0] R_write_bits_cnt ; // 寫(xiě)bit計(jì)數(shù)器，寫(xiě)數(shù)據(jù)之前把它初始化為7，發(fā)送一個(gè)bit就減1
reg [8:0] R_write_bytes_cnt ; // 寫(xiě)字節(jié)計(jì)數(shù)器，發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)就把它加1
reg [7:0] R_read_bits_cnt ; // 寫(xiě)bit計(jì)數(shù)器，接收一個(gè)bit就加1
reg [8:0] R_read_bytes_cnt ; // 讀字節(jié)計(jì)數(shù)器，接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)就把它加1
reg [8:0] R_read_bytes_num ; // 要接收的數(shù)據(jù)總數(shù)
reg R_read_finish ; // 讀數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志位
wire [7:0] W_rom_addr ;
wire [7:0] W_rom_out ;
assign O_qspi_clk = R_qspi_clk_en ? I_clk_25M : 0 ; // 產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)
assign W_rom_addr = R_write_bytes_cnt ;
// QSPI IO方向控制
assign IO_qspi_io0 = R_qspi_io0_out_en ? R_qspi_io0 : 1'bz ;
assign IO_qspi_io1 = R_qspi_io1_out_en ? R_qspi_io1 : 1'bz ;
assign IO_qspi_io2 = R_qspi_io2_out_en ? R_qspi_io2 : 1'bz ;
assign IO_qspi_io3 = R_qspi_io3_out_en ? R_qspi_io3 : 1'bz ;
// 功能：用時(shí)鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)
always @(negedge I_clk_25M)
begin
if(!I_rst_n)
begin
O_qspi_cs <= 1'b1 ;
O_qspi_state <= C_IDLE ;
R_cmd_reg <= 0 ;
R_address_reg <= 0 ;
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ; //QSPI clock輸出不使能
R_write_bits_cnt <= 0 ;
R_write_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_bytes_num <= 0 ;
R_address_reg <= 0 ;
O_done_sig <= 1'b0 ;
R_data_come_single <= 1'b0 ;
R_data_come_quad <= 1'b0 ;
end
else
begin
case(O_qspi_state)
C_IDLE: // 初始化各個(gè)寄存器，當(dāng)檢測(cè)到命令類(lèi)型有效(命令類(lèi)型的最高位位1)以后,進(jìn)入發(fā)送命令碼狀態(tài)
begin
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ;
O_qspi_cs <= 1'b1 ;
R_qspi_io0 <= 1'b0 ;
R_cmd_reg <= I_cmd_code ;
R_address_reg <= I_qspi_addr ;
R_status_reg <= I_status_reg ;
O_done_sig <= 1'b0 ;
R_qspi_io3_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io3為高阻
R_qspi_io2_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io2為高阻
R_qspi_io1_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io1為高阻
R_qspi_io0_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io0為高阻
if(I_cmd_type[4] == 1'b1)
begin //如果flash操作命令請(qǐng)求
O_qspi_state <= C_SEND_CMD ;
R_write_bits_cnt <= 7 ;
R_write_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_bytes_num <= 0 ;
end
end
C_SEND_CMD: // 發(fā)送8-bit命令碼狀態(tài)
begin
R_qspi_io0_out_en <= 1'b1 ; // 設(shè)置IO_qspi_io0為輸出
R_qspi_clk_en <= 1'b1 ; // 打開(kāi)SPI串行時(shí)鐘SCLK的使能開(kāi)關(guān)
O_qspi_cs <= 1'b0 ; // 拉低片選信號(hào)CS
if(R_write_bits_cnt > 0)
begin //如果R_cmd_reg還沒(méi)有發(fā)送完
R_qspi_io0 <= R_cmd_reg[R_write_bits_cnt] ; //發(fā)送bit7~bit1位
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt-1'b1 ;
end
else
begin //發(fā)送bit0
R_qspi_io0 <= R_cmd_reg[0] ;
if ((I_cmd_type[3:0] == 4'b0001) | (I_cmd_type[3:0] == 4'b0100))
begin //如果是寫(xiě)使能指令(Write Enable)或者寫(xiě)不使能指令(Write Disable)
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0011)
begin //如果是讀狀態(tài)寄存器指令(Read Register)
O_qspi_state <= C_READ_WAIT ;
R_write_bits_cnt <= 7 ;
R_read_bytes_num <= 1 ;//讀狀態(tài)寄存器指令需要接收一個(gè)數(shù)據(jù)
end
else if( (I_cmd_type[3:0] == 4'b0010) || // 如果是扇區(qū)擦除(Sector Erase)
(I_cmd_type[3:0] == 4'b0101) || // 如果是頁(yè)編程指令(Page Program)
(I_cmd_type[3:0] == 4'b0111) || // 如果是讀數(shù)據(jù)指令(Read Data)
(I_cmd_type[3:0] == 4'b0000) || // 如果是讀設(shè)備ID指令(Read Device ID)
(I_cmd_type[3:0] == 4'b1000) || // 如果是四線模式頁(yè)編程指令(Quad Page Program)
(I_cmd_type[3:0] == 4'b1001) // 如果是四線模式讀數(shù)據(jù)指令(Quad Read Data)
)
begin
O_qspi_state <= C_SEND_ADDR ;
R_write_bits_cnt <= 23 ; // 這幾條指令后面都需要跟一個(gè)24-bit的地址碼
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0110)
begin //如果是Write Status Register
O_qspi_state <= C_WRITE_STATE_REG ;
R_write_bits_cnt <= 15 ;
end
end
end
C_WRITE_STATE_REG :
begin
R_qspi_io0_out_en <= 1'b1 ; // 設(shè)置IO0為輸出
if(R_write_bits_cnt > 0)
begin //如果R_cmd_reg還沒(méi)有發(fā)送完
R_qspi_io0 <= R_status_reg[R_write_bits_cnt] ; //發(fā)送bit15~bit1位
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt - 1 ;
end
else
begin //發(fā)送bit0
R_qspi_io0 <= R_status_reg[0] ;
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
end
end
C_SEND_ADDR: // 發(fā)送地址狀態(tài)
begin
R_qspi_io0_out_en <= 1'b1 ;
if(R_write_bits_cnt > 0) //如果R_cmd_reg還沒(méi)有發(fā)送完
begin
R_qspi_io0 <= R_address_reg[R_write_bits_cnt] ; //發(fā)送bit23~bit1位
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt - 1 ;
end
else
begin
R_qspi_io0 <= R_address_reg[0] ; //發(fā)送bit0
if(I_cmd_type[3:0] == 4'b0010) // 扇區(qū)擦除(Sector Erase)指令
begin //扇區(qū)擦除(Sector Erase)指令發(fā)完24-bit地址碼就執(zhí)行結(jié)束了，所以直接跳到結(jié)束狀態(tài)
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0101) // 頁(yè)編程(Page Program)指令,頁(yè)編程指令和寫(xiě)數(shù)據(jù)指令是一個(gè)意思
begin
O_qspi_state <= C_WRITE_DATA ;
R_write_bits_cnt <= 7 ;
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0000) // 讀Device ID指令
begin
O_qspi_state <= C_READ_WAIT ;
R_read_bytes_num <= 2 ; //接收2個(gè)數(shù)據(jù)的Device ID
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b0111) // 讀數(shù)據(jù)(Read Data)指令
begin
O_qspi_state <= C_READ_WAIT ;
R_read_bytes_num <= 256 ; //接收256個(gè)數(shù)據(jù)
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b1000)
begin //如果是四線模式頁(yè)編程指令(Quad Page Program)
O_qspi_state <= C_WRITE_DATA_QUAD ;
R_write_bits_cnt <= 7 ;
end
else if (I_cmd_type[3:0] == 4'b1001)
begin //如果是四線讀操作
O_qspi_state <= C_DUMMY ;
R_read_bytes_num <= 256 ; //接收256個(gè)數(shù)據(jù)
R_write_bits_cnt <= 7 ;
end
end
end
C_DUMMY: // 四線讀操作之前需要等待8個(gè)dummy clock
begin
R_qspi_io3_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io3為高阻
R_qspi_io2_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io2為高阻
R_qspi_io1_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io1為高阻
R_qspi_io0_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io0為高阻
if(R_write_bits_cnt > 0)
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt - 1 ;
else
O_qspi_state <= C_READ_WAIT_QUAD ;
end
C_READ_WAIT: // 單線模式讀等待狀態(tài)
begin
if(R_read_finish)
begin
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
R_data_come_single <= 1'b0 ;
end
else
begin
R_data_come_single <= 1'b1 ; // 單線模式下讀數(shù)據(jù)標(biāo)志信號(hào)，此信號(hào)為高標(biāo)志正在接收數(shù)據(jù)
R_qspi_io1_out_en <= 1'b0 ;
end
end
C_READ_WAIT_QUAD: // 四線模式讀等待狀態(tài)
begin
if(R_read_finish)
begin
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
R_data_come_quad <= 1'b0 ;
end
else
R_data_come_quad <= 1'b1 ;
end
C_WRITE_DATA: // 寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)
begin
if(R_write_bytes_cnt < 256) // 往QSPI Flash中寫(xiě)入 256個(gè)數(shù)據(jù)
begin
if(R_write_bits_cnt > 0) //如果數(shù)據(jù)還沒(méi)有發(fā)送完
begin
R_qspi_io0 <= W_rom_out[R_write_bits_cnt] ; //發(fā)送bit7~bit1位
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt - 1'b1 ;
end
else
begin
R_qspi_io0 <= W_rom_out[0] ; //發(fā)送bit0
R_write_bits_cnt <= 7 ;
R_write_bytes_cnt <= R_write_bytes_cnt + 1'b1 ;
end
end
else
begin
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ;
end
end
C_WRITE_DATA_QUAD :
begin
R_qspi_io0_out_en <= 1'b1 ; // 設(shè)置IO0為輸出
R_qspi_io1_out_en <= 1'b1 ; // 設(shè)置IO1為輸出
R_qspi_io2_out_en <= 1'b1 ; // 設(shè)置IO2為輸出
R_qspi_io3_out_en <= 1'b1 ; // 設(shè)置IO3為輸出
if(R_write_bytes_cnt == 9'd256)
begin
O_qspi_state <= C_FINISH_DONE ;
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ;
end
else
begin
if(R_write_bits_cnt == 8'd3)
begin
R_write_bytes_cnt <= R_write_bytes_cnt + 1'b1 ;
R_write_bits_cnt <= 8'd7 ;
R_qspi_io3 <= W_rom_out[3] ; // 分別發(fā)送bit3
R_qspi_io2 <= W_rom_out[2] ; // 分別發(fā)送bit2
R_qspi_io1 <= W_rom_out[1] ; // 分別發(fā)送bit1
R_qspi_io0 <= W_rom_out[0] ; // 分別發(fā)送bit0
end
else
begin
R_write_bits_cnt <= R_write_bits_cnt - 4 ;
R_qspi_io3 <= W_rom_out[R_write_bits_cnt - 0] ; // 分別發(fā)送bit7
R_qspi_io2 <= W_rom_out[R_write_bits_cnt - 1] ; // 分別發(fā)送bit6
R_qspi_io1 <= W_rom_out[R_write_bits_cnt - 2] ; // 分別發(fā)送bit5
R_qspi_io0 <= W_rom_out[R_write_bits_cnt - 3] ; // 分別發(fā)送bit4
end
end
end
C_FINISH_DONE:
begin
O_qspi_cs <= 1'b1 ;
R_qspi_io0 <= 1'b0 ;
R_qspi_clk_en <= 1'b0 ;
O_done_sig <= 1'b1 ;
R_qspi_io3_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io3為高阻
R_qspi_io2_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io2為高阻
R_qspi_io1_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io1為高阻
R_qspi_io0_out_en <= 1'b0 ; // 設(shè)置IO_qspi_io0為高阻
R_data_come_single <= 1'b0 ;
R_data_come_quad <= 1'b0 ;
O_qspi_state <= C_IDLE ;
end
default:O_qspi_state <= C_IDLE ;
endcase
end
end
//
// 功能：接收QSPI Flash發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
//
always @(posedge I_clk_25M)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_read_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_bits_cnt <= 0 ;
R_read_finish <= 1'b0 ;
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
R_read_data_reg <= 0 ;
O_read_data <= 0 ;
end
else if(R_data_come_single) // 此信號(hào)為高表示接收數(shù)據(jù)從QSPI Flash發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
begin
if(R_read_bytes_cnt < R_read_bytes_num)
begin
if(R_read_bits_cnt < 7) //接收一個(gè)Byte的bit0~bit6
begin
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
R_read_data_reg <= {R_read_data_reg[6:0],IO_qspi_io1} ;
R_read_bits_cnt <= R_read_bits_cnt + 1'b1 ;
end
else
begin
O_read_byte_valid <= 1'b1 ; //一個(gè)byte數(shù)據(jù)有效
O_read_data <= {R_read_data_reg[6:0],IO_qspi_io1} ; //接收bit7
R_read_bits_cnt <= 0 ;
R_read_bytes_cnt <= R_read_bytes_cnt + 1'b1 ;
end
end
else
begin
R_read_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_finish <= 1'b1 ;
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
end
end
else if(R_data_come_quad)
begin
if(R_read_bytes_cnt < R_read_bytes_num)
begin //接收數(shù)據(jù)
if(R_read_bits_cnt < 8'd1)
begin
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
R_read_data_reg <= {R_read_data_reg[3:0],IO_qspi_io3,IO_qspi_io2,IO_qspi_io1,IO_qspi_io0};//接收前四位
R_read_bits_cnt <= R_read_bits_cnt + 1 ;
end
else
begin
O_read_byte_valid <= 1'b1 ;
O_read_data <= {R_read_data_reg[3:0],IO_qspi_io3,IO_qspi_io2,IO_qspi_io1,IO_qspi_io0}; //接收后四位
R_read_bits_cnt <= 0 ;
R_read_bytes_cnt <= R_read_bytes_cnt + 1'b1 ;
end
end
else
begin
R_read_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_finish <= 1'b1 ;
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
end
end
else
begin
R_read_bytes_cnt <= 0 ;
R_read_bits_cnt <= 0 ;
R_read_finish <= 1'b0 ;
O_read_byte_valid <= 1'b0 ;
R_read_data_reg <= 0 ;
end
end
rom_data rom_data_inst (
.clka(I_clk_25M), // input clka
.addra(W_rom_addr), // input [7 : 0] addra
.douta(W_rom_out) // output [7 : 0] douta
);
endmodule
頂層測(cè)試狀態(tài)機(jī)的完整代碼如下：
module qspi_top
(
input I_clk ,
input I_rst_n ,
output O_qspi_clk , // QPI總線串行時(shí)鐘線
output O_qspi_cs , // QPI總線片選信號(hào)
inout IO_qspi_io0 , // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
inout IO_qspi_io1 , // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
inout IO_qspi_io2 , // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
inout IO_qspi_io3 // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
);
reg [3:0] R_state ;
reg [7:0] R_flash_cmd ;
reg [23:0] R_flash_addr ;
reg R_clk_25M ;
reg [4:0] R_cmd_type ;
reg [15:0] R_status_reg ;
wire W_done_sig ;
wire [7:0] W_read_data ;
wire W_read_byte_valid ;
wire [2:0] R_qspi_state ;
//功能：二分頻邏輯
always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
R_clk_25M <= 1'b0 ;
else
R_clk_25M <= ~R_clk_25M ;
end
//功能：測(cè)試狀態(tài)機(jī)
always @(posedge R_clk_25M or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
begin
R_state <= 4'd0 ;
R_flash_addr <= 24'd0 ;
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
case(R_state)
4'd0://讀Device ID指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h90 ;
R_flash_addr <= 24'd0 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0000 ;
end
end
4'd1://寫(xiě)不使能(Write disable)指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h04 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0100 ;
end
end
4'd2://寫(xiě)使能(Write Enable)指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h06 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0001 ;
end
end
4'd3:// 扇區(qū)擦除(Sector Erase)指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h20 ;
R_flash_addr<= 24'd0 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0010 ;
end
end
4'd4://讀狀態(tài)寄存器1, 當(dāng)Busy位(狀態(tài)寄存器1的最低位)為0時(shí)表示擦除操作完成
begin
if(W_done_sig)
begin
if(W_read_data[0]==1'b0)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h05 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0011 ;
end
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h05 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0011 ;
end
end
4'd5://寫(xiě)狀態(tài)寄存器2(Write Status Register2)指令，用來(lái)把QE(Quad Enable)位置1
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h01 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0110 ;
R_status_reg<= 16'h0002 ;
end
end
4'd6://寫(xiě)使能(Write Enable)指令
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h06 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0001 ;
end
end
4'd7: //四線模式頁(yè)編程操作(Quad Page Program): 把存放在ROM中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入QSPI Flash中
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h32 ;
R_flash_addr<= 24'd0 ;
R_cmd_type <= 5'b1_1000 ;
end
end
4'd8://讀狀態(tài)寄存器1, 當(dāng)Busy位(狀態(tài)寄存器1的最低位)為0時(shí)表示寫(xiě)操作完成
begin
if(W_done_sig)
begin
if(W_read_data[0]==1'b0)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h05 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0011 ;
end
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h05 ;
R_cmd_type <= 5'b1_0011 ;
end
end
4'd9://四線模式讀256 Bytes數(shù)據(jù)
begin
if(W_done_sig)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= R_state + 1'b1 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
else
begin
R_flash_cmd <= 8'h6b ;
R_flash_addr<= 24'd0 ;
R_cmd_type <= 5'b1_1001 ;
end
end
4'd10:// 結(jié)束狀態(tài)
begin
R_flash_cmd <= 8'h00 ;
R_state <= 4'd10 ;
R_cmd_type <= 5'b0_0000 ;
end
default : R_state <= 4'd0 ;
endcase
end
end
qspi_driver U_qspi_driver
(
.O_qspi_clk (O_qspi_clk ), // QPI總線串行時(shí)鐘線
.O_qspi_cs (O_qspi_cs ), // QPI總線片選信號(hào)
.IO_qspi_io0 (IO_qspi_io0 ), // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
.IO_qspi_io1 (IO_qspi_io1 ), // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
.IO_qspi_io2 (IO_qspi_io2 ), // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
.IO_qspi_io3 (IO_qspi_io3 ), // QPI總線輸入/輸出信號(hào)線
.I_rst_n (I_rst_n ), // 復(fù)位信號(hào)
.I_clk_25M (R_clk_25M ), // 25MHz時(shí)鐘信號(hào)
.I_cmd_type (R_cmd_type ), // 命令類(lèi)型
.I_cmd_code (R_flash_cmd ), // 命令碼
.I_qspi_addr (R_flash_addr ), // QSPI Flash地址
.I_status_reg (R_status_reg ), // QSPI Flash狀態(tài)寄存器
.O_done_sig (W_done_sig ), // 指令執(zhí)行結(jié)束標(biāo)志
.O_read_data (W_read_data ), // 從QSPI Flash讀出的數(shù)據(jù)
.O_read_byte_valid (W_read_byte_valid ), // 讀一個(gè)字節(jié)完成的標(biāo)志
.O_qspi_state (R_qspi_state ) // 狀態(tài)機(jī)，用于在頂層調(diào)試用
);
wire [35:0] CONTROL0 ;
wire [99:0] TRIG0 ;
icon icon_inst (
.CONTROL0(CONTROL0) // INOUT BUS [35:0]
);
ila ila_inst (
.CONTROL(CONTROL0) , // INOUT BUS [35:0]
.CLK(I_clk) , // IN
.TRIG0(TRIG0) // IN BUS [255:0]
);
assign TRIG0[7:0] = W_read_data ;
assign TRIG0[8] = W_read_byte_valid ;
assign TRIG0[12:9] = R_state ;
assign TRIG0[16:13] = R_qspi_state ;
assign TRIG0[17] = W_done_sig ;
assign TRIG0[18] = IO_qspi_io0 ;
assign TRIG0[19] = IO_qspi_io1 ;
assign TRIG0[20] = IO_qspi_io2 ;
assign TRIG0[21] = IO_qspi_io3 ;
assign TRIG0[22] = O_qspi_cs ;
assign TRIG0[23] = O_qspi_clk ;
assign TRIG0[28:24] = R_cmd_type ;
assign TRIG0[36:29] = R_flash_cmd ;
assign TRIG0[60:37] = R_flash_addr ;
assign TRIG0[61] = I_rst_n ;
assign TRIG0[77:62] = R_status_reg ;
endmodule
?
接下來(lái)就對(duì)比一下各個(gè)指令的時(shí)序圖，由于有一部分時(shí)序圖在單線模式已經(jīng)對(duì)比過(guò)了，這里只對(duì)比寫(xiě)狀態(tài)寄存器，四線讀操作，四線寫(xiě)操作三個(gè)指令的時(shí)序圖
1、寫(xiě)寫(xiě)狀態(tài)寄存器(Write Status Register)指令
??????? 芯片手冊(cè)寫(xiě)狀態(tài)寄存器時(shí)序圖：
??????? ChipScope抓出來(lái)的寫(xiě)狀態(tài)寄存器時(shí)序圖：
2、四線寫(xiě)數(shù)據(jù)(Quad Input Page Program)指令
??????? 芯片手冊(cè)四線寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序圖：
??????? ChipScope抓回來(lái)的四線寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序圖：
3、四線讀數(shù)據(jù)(Quad Read Data)指令
??????? 芯片手冊(cè)四線讀數(shù)據(jù)(Fast Read Quad Output)時(shí)序圖：
ChipScope抓回來(lái)的四線讀數(shù)據(jù)(Fast Read Quad Output)時(shí)序圖：
通過(guò)對(duì)比各個(gè)指令與芯片手冊(cè)的指令，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)指令的時(shí)序與芯片手冊(cè)完全吻合，至此四線SPI操作QSPI Flash的代碼全部測(cè)試通過(guò)。你可以把ROM里面的數(shù)據(jù)換成你自己的數(shù)據(jù)發(fā)給QSPI Flash，ROM里面數(shù)據(jù)則可以通過(guò)4.2小節(jié)的Matlab自定義產(chǎn)生。
4.6、 四線模式與單線模式讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)的性能對(duì)比
由于QSPI Flash四線模式中共有四根信號(hào)線，它們?nèi)靠梢杂米鲚斎胼敵鰜?lái)傳輸數(shù)據(jù)，所以傳輸同樣大小的數(shù)據(jù)塊時(shí)候，四線模式的速度是單線模式的四倍。下面列出我在最初調(diào)試QSPI Flash的時(shí)候抓出來(lái)的兩張圖，分別是四線模式與單線模式寫(xiě)數(shù)據(jù)對(duì)比圖與 四線模式與單線模式讀數(shù)據(jù)對(duì)比圖
四線模式與單線模式寫(xiě)數(shù)據(jù)對(duì)比圖：
四線模式與單線模式讀數(shù)據(jù)對(duì)比圖：
從上面可以很清晰的看出讀寫(xiě)同一塊數(shù)據(jù)的時(shí)候，四線模式相較于單線模式而言，速度有了4倍的提升。
五、 進(jìn)一步思考
5.1、 用Verilog編寫(xiě)QSPI Flash驅(qū)動(dòng)的意義何在？
事實(shí)上，Xilinx的FPGA的已經(jīng)有專(zhuān)門(mén)的引腳用來(lái)與QSPI Flash相連，當(dāng)我們把.bin文件或者.mcs文件通過(guò)Jtag固化到QSPI Flash中的時(shí)候，ISE軟件中的iMPACT會(huì)自動(dòng)把.bin文件或者.mcs文件以SPI協(xié)議的格式寫(xiě)入到QSPI Flash中，由于QSPI Flash是一種非易失性存儲(chǔ)器，所以斷電后，數(shù)據(jù)并不會(huì)丟失，當(dāng)FPGA斷電重啟以后，它會(huì)自動(dòng)從QSPI Flash中加載事先固化到QSPI Flash里面的程序到內(nèi)部的RAM中執(zhí)行，而不像.bit掉電程序就會(huì)丟失。既然FPGA已經(jīng)支持QSPI Flash的協(xié)議，為什么還要寫(xiě)QSPI Flash的驅(qū)動(dòng)呢？原因是在實(shí)際的項(xiàng)目中，如果要遠(yuǎn)程對(duì)FPGA的代碼進(jìn)行在線升級(jí)的話就必須有一套QSPI Flash的驅(qū)動(dòng)來(lái)配合CPU進(jìn)行升級(jí)操作。
比如，某廠家生產(chǎn)了幾千臺(tái)4G基站，而且已經(jīng)發(fā)貨到國(guó)外各個(gè)國(guó)家商用。而后期研發(fā)人員調(diào)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)FPGA部分有一個(gè)小Bug需要修復(fù)或者說(shuō)需要增加一個(gè)新功能，代碼寫(xiě)好了以后如果沒(méi)有在線升級(jí)的功能，你只能一個(gè)一個(gè)去用jtag重新固化程序，這樣會(huì)耗費(fèi)大量的人力成本而且極其不方便，而如果有在線升級(jí)的功能只需要通過(guò)遠(yuǎn)程登錄連接到CPU上發(fā)送幾條指令就可以完成升級(jí)功能，大大提高了工作效率。
5.2、 關(guān)于在代碼中同時(shí)使用時(shí)鐘的上升沿和下降沿操作時(shí)有什么風(fēng)險(xiǎn)
關(guān)于這個(gè)問(wèn)題目前還沒(méi)有找到比較權(quán)威的說(shuō)法，以下兩個(gè)說(shuō)法是提的最多的：
1、FPGA內(nèi)部的觸發(fā)器都是上升沿觸發(fā)的，所以，如果在代碼中用下降沿觸發(fā)的話會(huì)在時(shí)鐘引腳的前面綜合出一個(gè)反相器，這個(gè)反相器可能會(huì)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量有影響文章來(lái)源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-734105.html
2、集成電路設(shè)計(jì)的書(shū)中有對(duì)晶振的描述，外部晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)上升沿的時(shí)間幾乎是一樣的，但是每個(gè)周期的下降沿的時(shí)間卻無(wú)法保證完全一致，這與工藝有很大關(guān)系，所以采用下降沿觸發(fā)有可能存在風(fēng)險(xiǎn)。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-734105.html
到了這里，關(guān)于FPGA怎么讀寫(xiě)外部FLASH中的用戶(hù)數(shù)據(jù)？（超詳細(xì)）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
