摘要： 本篇博客具体包括SPI协议的基本原理、模式选择以及时序逻辑要求，采用FPGA（EPCE4），通过SPI通信协议，对flash（W25Q16BV）存储的固化程序进行芯片擦除操作。
关键词：SPI；Verilog HDL；Flash
SPI是Motorola公司推出的一种同步串行接口，是一种高速、全双工、同步的通信总线，广泛应用于存储器，数模转换器，实时时钟等。
SPI协议通过四根线进行数据传输，即SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、/SS（Slave Select，低电平有效）（或/CS）。
接口处理方式：一主一从（左）、一主多从【星型链式】（右）SPI通信要求主机和从机具有同步的时钟信号，传输速率直接受到时钟频率（SCLK）的影响。
信号线说明：
MOSI、MISO数据在SCK同步信号下传输，每个时钟周期传输一位数据，输入输出同步进行，要保证MSB或LSB先行需一致。/SS从设备信号选择线，由高变低，是SPI通讯的起始信号。当从设备/SS线检测到起始信号后，即为选中使能与主机通讯。/SS信号由低变高，为停止信号，从设备的选中状态被取消。
注：SPI每次数据传输可以8位或16位为单位，每次传输的单位数不受限制。
SPI通信时钟模式：
SPI通信加入了时钟相位(CPHA)和时钟极性(CPOL)的设置，通过组合CPOL和CPHA的不同设置，SPI共支持四种常见的时钟配置模式。
| CPOL | CPHA |
|---|---|
| 时钟极性，定义时钟信号在空闲状态下的电平 | 时钟相位，定义数据采样和转换的时钟边沿 |
| CPOL=0：SCK空闲为低电平 | CPHA=0：SCK的第一个边沿采样数据并转换输出信号 |
| CPOL=1：SCK空闲为高电平 | CPHA=1：SCK的第二个边沿采样数据并转换输出信号 |
在CPHA指示为l时， 数据就会在SCLK的第二个有效边沿被采样（/SS拉低后，空闲为高，为上升沿；空闲为低，下降沿），同时被锁存到寄存器中；如果CPHA 清零，数据就会在SCLK的第一个有效边沿被采样（/SS拉低后，空闲为高，为下降沿；空闲为低，为上升沿），同时被锁存起来。SPI的主从设备须配置相同的时序模式，见下图。
板载Flash芯片型号：W25Q16BV；总容量为16M bit，即2M字节；存储阵列被分成8192个可编程页，每页容量256字节；支持Standard SPI、Dual SPI和Quad SPI三种SPI通信协议，最大读/写传输速率达50MB/s。它支持多种擦除操作，包括扇区擦除（4KB）、块擦除（32KB或64KB）以及全芯片擦除。
上图可以看到，除SPI经典的四个引脚外，还有/WP和/HOLD，分别用于写保护和输入保持。对于不同倍率SPI协议，引脚使用搭配是有区别的。
W25Q16BV内部存储结构的逻辑和功能组织见下图，SPI接口负责接收命令和地址，并通过控制逻辑进行解析和执行。状态寄存器（Status Register）用于存储设备的状态信息，如是否忙碌（BUSY位）；写控制通过IO2引脚控制，用于启动写操作；高电平生成器（High Voltage Generators）用于执行如擦除等操作；控制逻辑（Control Logic）负责解析SPI接口接收到的命令，并根据需要控制存储器的读/写操作。列解码（Column Decode）和页面缓冲（256-Byte Page Buffer）用于支持页面的读/写操作。
存储器部分被分割成32个块（Block），单个块区包含16个扇区（Sector），每个扇区又由16个页组成，单页存储256字节数据，共计32 x 16 x 16 x 256 ≈ 2M 字节。存储器通过页地址和字节地址来定位特定的数据位置。
24位地址线通过上述的层次结构来映射整个存储器的地址空间，具体见下面表格。
| 分区 | 地址位 |
|---|---|
| 块（Block）地址 | 23~16位（0x1F0000到0x1FFFFF） |
| 扇区（Sector）地址 | 15~12位（0x00F000到0x00FFFF） |
| 页（Page）地址 | 11~8位 |
| 字节（Byte）地址 | 7~0位 |
软件命令：W25Q16BV的指令集由30条基本指令组成，指令完全通过SPI总线控制。指令的启动是通过/CS的下降边缘来触发的，/CS拉高前须完成指令输入，否则无效。DI输入的第一个字节提供指令代码，DI输入上的数据是在时钟的上升沿采样的，首先采样的是最高有效位（MSB）。指令的长度从单个字节到几个字节不等，后面可能跟着地址字节、数据字节、虚拟字节(可选)，在某些情况下，还可能是它们组合。所有的读指令都可以在任何一个时钟位之后完成。
| 指令 | 编码 | 指令 | 编码 |
|---|---|---|---|
| Write Enable | 06h | Write Disable | 04h |
| Sector Erase (4KB) | 20h | Block Erase (32KB) | 52h |
| Block Erase (64KB) | D8h | Chip Erase | C7h/60h |
| Continuous Read Mode Reset | FFh | Read Data | 03h |
| Fast Read | 0Bh | Write Status Register | 01h |
所有写、编程或擦除指令必须在字节边界上完成（即，在完整的8位数据被时钟同步后，/CS被驱动为高）。如果不在字节边界上完成，该指令将被终止。这一特性旨在保护设备免受意外写入的影响。
当内存正在被编程或擦除，或者当状态寄存器正在被写入时，除了读状态寄存器指令之外的所有指令都将被忽略，直到编程或擦除周期完成。
电平切换时序要求：
下图为Serial Input Timing，其中片选线/CS待输入完成后拉高电平保持时间（tSHSL） (for Array Read Array Read / Erase or Program Read Status Registers) ：至少7/40 ns；片选信号有效建立时间（tSLCH）：至少为5ns；片选信号有效保持时间（tCHSH）：至少为5ns。注意：读指令/写指令时钟频率最大为50Mhz。
写使能（Write Enable ）：该指令用于设置（状态寄存器中）写使能锁存器（WEL）位为1，确保存储器处于可写状态。
首先，将/CS（Chip Select）引脚拉低，SPI通信启动。在CLK上升沿，将数据输入（DI）引脚上的数据位设置为指令代码“06h”，即0000 0110。完成后，将/CS引脚拉高，SPI通信的结束和写使能完成。
读操作（Read Data）：这个指令允许从存储器中顺序地读取一个或多个数据字节。首先，通过将/CS引脚拉低来启动指令，将指令代码“03h”（0000 0011）和一个24位地址（A23-A0）通过DI引脚移位输入，代码和地址位在CLK上升沿时被锁定。最后，通过将/CS引脚拉高完成指令。
如果在擦除、编程或写入周期正在进行时（BUSY=1）发出读取数据指令，该指令将被忽略。
芯片全擦除操作（Chip Erase）：Chip Erase 指令会将设备内的所有存储器设置为擦除状态，即所有位都设为1。
①擦除启动：在执行芯片擦除指令之前，必须先执行一个“写使能”指令，使设备能够接受芯片擦除指令（状态寄存器的WEL位必须等于1）。将/CS引脚拉低来启动指令，移位输入指令代码“C7h”或“60h”，在第八位被锁定后，/CS引脚须被拉高。
②擦除过程：/CS被拉高后，自计时的芯片擦除指令将开始执行。芯片擦除周期（典型3s，最大10s）进行期间，仍然可以通过“读取状态寄存器”指令来检查BUSY位的状态（BUSY位在芯片擦除周期期间为1）。
③擦除后的状态：WEL位会被置0，注意：存储数据的任何部分受到块保护（BP2、BP1和BP0）位的保护，则不会执行芯片擦除指令。
烧录程序方式：①将程序下载到FPGA内部的SRAM之中，烧录过程耗时较短，但掉电后程序丢失；②将程序固化到FPGA外部挂载的非易失性存储器Flash芯片，掉电后程序不丢失。
在Quartus II的主界面中，选择“File”菜单下的“Convert Programming Files”选项，用于将编译生成的特定文件（如sof文件）转换为其他格式的文件，如jic文件，以便下载到FPGA板载的flash或其他目标设备中，流程见下图。
下载程序时，目标.jic文件后，右下指示框很明显看到下载至Flash（这里是EPCS16类似W25Q16），仅勾选Program/Configure 进行程序固化下载，仅勾选Erase表示擦除Flash操作。
根据Flash读/写时序要求，片选信号拉低后，需进行5ns（tSLCH≥5ns）等待时间，及后写入写使能指令。写入完成后，再次进行5ns（tCHSH≥5ns）等待，拉高片选线维持≥100ns，接续完成写入操作指令流程。
Flash芯片数据读操作的时钟频率(SCK)上限为50MHz，这里通过四分频设定SCK频率为12.5Mhz。单个时钟周期写入1 bit数据，完整的单字节指令需要8个完整的SCK时钟周期，即32个完整的系统时钟，系统时钟频率为50MHz，完整指令的写入需要640ns。
mosi信号输出采用了状态机转移的逻辑方法：
| 状态 | 说明 | 状态 | 说明 |
|---|---|---|---|
IDLE |
空闲初始状态，等待触发信号 | WR_EN |
发送写使能指令 |
DELAY |
等待状态，保持时序 | CH_ER |
芯片擦除指令发送 |
当key_flag信号有效时，从IDLE转移到WR_EN状态，在WR_EN和CH_ER状态中，分别写入相应的写使能和指令后，等待tCHSH时间，然后拉高片选信号。在WR_EN状态写入指令后，转移到DELAY状态等待tSHSL时间。在DELAY状态等待完成后，转移到CH_ER状态，返回IDLE状态。相关代码如下：
parameter IDLE = 4'b0001, WREN = 4'b0010, DELAY= 4'b0100, CH_ER= 4'b1000;
parameter WREN_CODE = 8'b0000_0110, CH_ER_CODE = 8'b1100_0111;
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin
if(!sys_rst) state <= IDLE;
else case(state)
IDLE :if(key_flag)state <= WREN;
WREN :if((cnt_byte == 3'd2)&&(cnt_clk == 5'd31))state <= DELAY;
DELAY:if((cnt_byte == 3'd3)&&(cnt_clk == 5'd31))state <= CH_ER;
CH_ER:if((cnt_byte == 3'd6)&&(cnt_clk == 5'd31))state <= IDLE;
default:state <= IDLE;
endcase
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin
if(!sys_rst) mosi <= 1'b0;
else if((state == WREN)&&(cnt_byte == 3'd2)) mosi <= 1'b0;
else if((state == CH_ER)&&(cnt_byte == 3'd6)) mosi <= 1'b0;
else if((state == WREN)&&(cnt_byte == 3'd1)&&(cnt_sck == 2'd0))
mosi <= WREN_CODE[7 - cnt_bit];
else if((state == CH_ER) && (cnt_byte == 3'd5) && (cnt_sck == 2'd0))
mosi <= CH_ER_CODE[7 - cnt_bit];
end
而对于其他的信号逻辑处理：cnt_clk作为预期设定单位间距（640ns）的计数器，cnt_byte根据其完成7个阶段的转换。sck为写操作的时钟信号，cnt_sck作为其在有效时间段内计数器，使得sck按sys_clk四分配输出。
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin
if(!sys_rst) cnt_clk <= 5'd0;
else if(state != IDLE) cnt_clk <= cnt_clk + 1'b1; //位宽清零
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin
if(!sys_rst) cnt_byte <= 3'd0;
else if((cnt_byte == 3'd6)&&(cnt_clk == 5'd31)) cnt_byte <= 3'd0;
else if(cnt_clk == 5'd31) cnt_byte <= cnt_byte + 1'b1;
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin
if(!sys_rst) cnt_sck <= 2'd0;
else if((state == WREN)&&(cnt_byte == 3'd1)) cnt_sck <= cnt_sck + 1'b1; //位宽清零
else if((state == CH_ER)&&(cnt_byte == 3'd5)) cnt_sck <= cnt_sck + 1'b1; //位宽清零
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin
if(!sys_rst) cnt_bit <= 3'd0;
else if(cnt_sck == 2'd2) cnt_bit <= cnt_bit + 1'b1;
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin
if(!sys_rst) ss_n <= 1'b1;
else if(key_flag) ss_n <= 1'b0;
else if((cnt_byte == 3'd2)&&(cnt_clk == 5'd31)&&(state == WREN)) ss_n <= 1'b1;
else if((cnt_byte == 3'd3)&&(cnt_clk == 5'd31)&&(state == DELAY)) ss_n <= 1'b0;
else if((cnt_byte == 3'd6)&&(cnt_clk == 5'd31)&&(state == CH_ER)) ss_n <= 1'b1;
end
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin
if(!sys_rst) sck <= 1'b0;
else if(cnt_sck == 2'd0) sck <= 1'b0;
else if(cnt_sck == 2'd2) sck <= 1'b1;
end
导入仿真文件，对芯片擦除操作进行仿真，由于该操作耗时长，仿真前在Flash参数文件缩放擦除周期至4000ns。从上图仿真结果可以看到，在4710ns处，Flash启动芯片擦除，在8710ns结束擦除操作。
根据仿真结果显示，sys_clk拉高后，程序正常工作，当检测到key_flag为高电平后，片选线SS_n拉低，指令操作开启。等待一个有效建立时间后（这里是640ns，便于编写代码），sck正式输出八段时钟切换（12.5Mhz）。首先，按写使能指令，输出一个时序（0000_0110，06h）。等待一个片选线建立时间后拉高，进入等待状态（≥100ns，640ns）接续完成芯片擦除指令的录入。cnt_byte和state的状态，随cnt_clk时钟计数变换。
文献参考：
[1]刘满. SPI协议接口的设计与实现[D]. 陕西:西安电子科技大学,2020；
[2]基于spi协议的flash驱动控制(https://doc.embedfire.com/fpga/altera/ep4ce10_pro/zh/latest/code/spi_flash.html)；
[3] W25Q16BV Datasheet(PDF) - Winbond (alldatasheet.com)；
本篇文章中使用的Verilog程序模块，若有需见网页左栏Gitee仓库链接：https://gitee.com/silly-big-head/little-mouse-funnyhouse/tree/FPGA-Verilog/