FPGA解析串口指令控制spi flash完成连续写、读、擦除数据

前言

最近在收拾抽屉时找到一个某宝的spi flash模块，如下图所示，我就想用能不能串口来读写flash，大致过程就是，串口向fpga发送一条指令，fpga解析出指令控制flah，这个指令协议目前就是：
55 + AA + CMD + LEN_h + LEN_m + LEN_l + DATA
CMD：01 写；02 读；03 擦除（片擦除）；
LEN_h/m/l：三个字节表示读写长度，高字节在前低字节灾后；
DATA：如果是写flah，DATA则为需要写入的数据，其它两种状态可以不填；

1. 串口指令解析

软件使用序列式状态机完成串口指令解析，最后解析出三个使能信号，以及相应的数据、长度、地址。

always@(posedge clk,negedge rst_n)if(!rst_n)state<=S0;else begincase(state)S0:if(uart_vld)beginif(uart_dat == 8'h55)state<=S1;elsestate<=S0;					end else state<=S0;					S1:if(uart_vld)beginif(uart_dat == 8'hAA)state<=S2;elsestate<=S0;					end else state<=S1;S2:if(uart_vld)state<=S3;elsestate<=S2;S3://命令字if(uart_vld)state<=S4;elsestate<=S3;		S4://长度hif(uart_vld)state<=S5;elsestate<=S4;	S5://长度mif(uart_vld)state<=S6;elsestate<=S5;S6://长度lif(uart_vld)state<=S7;elsestate<=S6;S7:state<=S7;default:state<=S0;	endcaseend

2. flash 控制

对于flash三个功能（读、写、擦书）分别设计了三个模块，每个模块完成对应功能以及输出flash的cs、sclk、sdi等信号，但是flash接口只有一组控制信号，因此需要对三个模块输出的flash控制信号进行选择输出，如下所示。

always@(posedge clk,negedge rst_n)if(!rst_n)begino_spi_cen	<=1'b1;		o_spi_sclk	<=1'b0; 		o_spi_sdi	<=1'b0; 	end else begincase(work_state)3'b001:begin//xieo_spi_cen	<= wr_flash_csn		;o_spi_sclk	<= wr_flash_sclk		;o_spi_sdi	<= wr_flash_sdi		;end3'b010:begin//duo_spi_cen	<= rd_flash_csn		;o_spi_sclk	<= rd_flash_sclk		;o_spi_sdi	<= rd_flash_sdi		;end	3'b100:begin//cachuo_spi_cen	<= er_flash_csn		;o_spi_sclk	<= er_flash_sclk		;o_spi_sdi	<= er_flash_sdi		;end	default:begino_spi_cen	<=1'b1;		o_spi_sclk	<=1'b0; 		o_spi_sdi	<=1'b0; endendcaseendassign 	work_state	={spi_flash_erctl,spi_flash_rdctl,spi_flash_wrctl};			

2.1 flash写控制

软件对flash写控制的基本方法是收到一个串口数据就写进flash，并不是先缓存256个字节然后直接进行页编程，这样搞控制逻辑比较复杂。方法确定后就是软件实现，上级输出了vld和data（vld和data上上沿对齐，vld只有一个时钟宽度），使用vld作为触发条件，完成数据写入。
同样软件使用序列式状态机器进行流程控制。然后先写使能，然后正常写指令（02）、地址数据。

always@(posedge clk,negedge rst_n)if(!rst_n)state<=S0;else if(clken)begincase(state)S0:if(spi_flash_ctlr[2] && vld_zk)state<=S1;elsestate<=S0;S1://xieshineng  function code 06if(&cnt && cnt_bit=='d7)state<=S2;else	state<=S1;S2://delayif(&cnt && cnt_bit==WIDTH-1)state<=S3;else	state<=S2;S3://xie gongneng ma 02if(&cnt && cnt_bit=='d7)state<=S4;else state<=S3;S4://xie dizhiif(&cnt && cnt_bit=='d23)state<=S5;else state<=S4;S5://xie shuju if(&cnt && cnt_bit=='d7)state<=S6;else state<=S5;S6:if(&cnt)state<=S7;else state<=S6;S7:if(cnt_byte == wr_len)state<=S8;elsestate<=S0;S8:state<=S8;default:state<=S0;endcaseend

2.2 flash擦除

直接在写控制上面改，前面有个写使能，下图是擦除指令（C7/60）

always@(posedge clk,negedge rst_n)if(!rst_n)state<=S0;else if(clken)begincase(state)S0:if(spi_flash_ctlr[2:1]==2'b01)state<=S1;elsestate<=S0;S1://xieshineng  function code 06if(&cnt && cnt_bit=='d7)state<=S2;else	state<=S1;S2://delayif(&cnt && cnt_bit==WIDTH-1)state<=S3;else	state<=S2;S3://if(&cnt && cnt_bit=='d7)state<=S6;else state<=S3;S6:if(&cnt)state<=S7;else state<=S6;S7:state<=S8;S8:state<=S8;default:state<=S0;endcaseend

2.3 flash读控制

从falsh读数据比较简单，接口时序如下图，软件实现同样还是序列式状态机，根据传入的长度决定读取的字节数。
因为数据从flash读出后需要通过串口发送，因此为了减少工作量，从flash读出一个数据，串口就发送一个数据，因此为了避免flash两个数据都读出来了串口一个都没发完，需要控制flash读数间隔，使得这个间隔大于串口发完一个字节的时间，举个栗子，假设现在串口波特率为115200，那么发完一个字节的时间约为86.8us（10位），那么flash读数间隔要大于86.9us。

always@(posedge clk,negedge rst_n)if(!rst_n)state<=S0;else if(clken)begincase(state)S0:if(spi_flash_ctlr[2:1]==2'b01)state<=S1;elsestate<=S0;S1:state<=S2;S2://cs xian ladi 		if(&cnt)	state<=S3;else state<=S2;S3://xie gongneng ma 02if(&cnt && cnt_bit=='d7)state<=S4;else state<=S3;S4://xie dizhiif(&cnt && cnt_bit=='d23)state<=S5;else state<=S4;S5://xie shuju if(&cnt && cnt_bit=='d7)state<=S6;else state<=S5;S6:if(&cnt)state<=S7;else state<=S6;S7:if(cnt_byte == rd_len)state<=S8;elsestate<=S9;S9:if(dly_end)state<=S1;else state<=S9;S8:state<=S8;default:state<=S0;endcaseend

3. 实物测试

开始我设置的波特率为921600，擦除和写没问题，至少在时序上是很完美的，但是回读出来的数据如下图前十个字节一样，本来写入是01~0a，现在读出的数据中第2、3、5、7、9都是FF，后来我把波特率降到9600，然后就好了，下图最后10个字节。中间10个ff是擦除完后读出来数据。
软件工程链接：
软件工程、源码、仿真、数据手册、fllash仿真模型

最后来张全家福