基于FPGA的內(nèi)存128M Flash芯片控制器設(shè)計(jì)方案

一、引言

隨著21世紀(jì)智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求急劇增加。Flash存儲(chǔ)器作為一種非揮發(fā)性（Non-Volatile）內(nèi)存，因其能夠在無(wú)電流供應(yīng)的情況下長(zhǎng)久保持?jǐn)?shù)據(jù)，成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的理想存儲(chǔ)介質(zhì)。本文將詳細(xì)介紹基于FPGA的內(nèi)存128M Flash芯片控制器的設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片型號(hào)的選擇及其在設(shè)計(jì)方案中的作用。

二、主控芯片型號(hào)及其作用

1. FPGA芯片

型號(hào)選擇：Xilinx公司的FPGA芯片（具體型號(hào)根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇，如Xilinx Spartan-6系列或Virtex系列）。

作用：

• 可編程邏輯：FPGA內(nèi)部由許多獨(dú)立的可編程邏輯模塊組成，邏輯塊之間可以靈活連接，適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。

• 高速數(shù)據(jù)處理：FPGA具有高速并行處理能力，適合處理大量數(shù)據(jù)，滿足高速存儲(chǔ)和讀取的需求。

• 靈活設(shè)計(jì)：FPGA的設(shè)計(jì)可以通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（如VHDL或Verilog）進(jìn)行編程，便于實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)。

2. Flash芯片

型號(hào)選擇：W25Q128FV（或其他兼容型號(hào)，如W25Q128BV）。

作用：

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：W25Q128FV是一款容量為128Mbit的Flash存儲(chǔ)器，適合存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。

• 非揮發(fā)性：Flash存儲(chǔ)器能夠在無(wú)電源供應(yīng)的情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)，適用于需要長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

• SPI接口：支持SPI、Dual SPI和Quad SPI通信方式，便于與FPGA進(jìn)行通信。

三、設(shè)計(jì)方案

1. 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由FPGA控制器、Flash存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源電路等組成。FPGA控制器通過(guò)SPI接口與Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和擦除操作。

2. Flash存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

W25Q128FV Flash存儲(chǔ)器由256個(gè)Block組成，每個(gè)Block包含16個(gè)Sector，每個(gè)Sector大小為4KB，由16個(gè)Page組成，每個(gè)Page大小為256Byte。這種結(jié)構(gòu)便于進(jìn)行扇區(qū)擦除和頁(yè)寫(xiě)入操作。

3. SPI通信協(xié)議

FPGA通過(guò)SPI接口與Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行通信。SPI通信協(xié)議包括時(shí)鐘信號(hào)（SCLK）、片選信號(hào)（CS）、數(shù)據(jù)輸入信號(hào)（MOSI）和數(shù)據(jù)輸出信號(hào)（MISO）。FPGA作為主設(shè)備，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器作為從設(shè)備。

4. 狀態(tài)寄存器

Flash存儲(chǔ)器包含狀態(tài)寄存器，用于指示當(dāng)前操作的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器的每一位都有特定的功能，如可讀/忙標(biāo)志位、寫(xiě)標(biāo)志位等。FPGA通過(guò)讀取狀態(tài)寄存器來(lái)判斷Flash存儲(chǔ)器是否忙碌，從而決定是否可以執(zhí)行下一步操作。

5. 控制器設(shè)計(jì)

FPGA控制器設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)模塊：

• 頂層模塊（flash_top）：負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)的控制和調(diào)度。

• 有限狀態(tài)機(jī)（FSM）模塊：根據(jù)指令和狀態(tài)寄存器的反饋，控制Flash存儲(chǔ)器的操作。

• Flash接口模塊：實(shí)現(xiàn)SPI通信協(xié)議，與Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

• 數(shù)碼管顯示模塊：用于顯示寫(xiě)入Flash存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。

6. 操作流程

1. 初始化：FPGA控制器上電后，首先進(jìn)行初始化操作，包括配置時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和SPI接口等。

2. 讀取器件ID：FPGA控制器發(fā)送讀取器件ID的指令，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器返回廠商ID和設(shè)備ID。

3. 寫(xiě)使能：FPGA控制器發(fā)送寫(xiě)使能指令，置位Flash存儲(chǔ)器的寫(xiě)標(biāo)志位。

4. 扇區(qū)擦除：FPGA控制器發(fā)送扇區(qū)擦除指令，擦除指定的扇區(qū)。擦除操作前必須執(zhí)行寫(xiě)使能指令。

5. 頁(yè)寫(xiě)入：FPGA控制器發(fā)送頁(yè)寫(xiě)入指令，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定的頁(yè)。寫(xiě)入操作前也必須執(zhí)行寫(xiě)使能指令。

6. 讀狀態(tài)寄存器：FPGA控制器讀取狀態(tài)寄存器，判斷當(dāng)前操作是否完成。

7. 關(guān)閉寫(xiě)使能：FPGA控制器發(fā)送關(guān)閉寫(xiě)使能指令，復(fù)位Flash存儲(chǔ)器的寫(xiě)標(biāo)志位。

8. 讀取數(shù)據(jù)：FPGA控制器發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令，從Flash存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)。

7. 設(shè)計(jì)代碼示例

以下是FPGA控制器設(shè)計(jì)的部分代碼示例（以VHDL語(yǔ)言為例）：

module flash_top(

input clk, rst_n,

output sclk, cs,

inout q0, q1,

output [5:0] sel,

output [7:0] seg

);



// 聲明內(nèi)部信號(hào)

wire [7:0] command;

wire [23:0] addr;

wire [2:0] state;

wire [7:0] data;

wire [23:0] show_data;

wire flag_done;



// 實(shí)例化Flash接口模塊

flash flash_dut(

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.q0(q0),

.q1(q1),

.sclk(sclk),

.cs(cs),

.command(command),

.addr(addr),

.state(state),

.data(data),

.show_data(show_data),

.flag_done(flag_done)

);



// 實(shí)例化有限狀態(tài)機(jī)模塊

fsm fsm_dut(

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.flag_done(flag_done),

.command(command),

.addr(addr),

.state(state),

.data(data)

);



// 實(shí)例化數(shù)碼管顯示模塊

seg seg_dut(

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.sel(sel),

.seg7(seg),

.data_in(show_data)

);



endmodule

module fsm(

input clk, rst_n, flag_done,

output reg [7:0] command,

output reg [23:0] addr,

output reg [2:0] state,

output reg [7:0] data,

reg [2:0] state_s,

reg [20:0] count

);



always @(posedge clk) begin  

if (!rst_n) begin  

state_s <= 0;

data <= 8'd0;

addr <= 24'd0;

command <= 8'd0;

state <= 0;

count <= 0;

end else begin  

case (state_s)

0: begin  

if (count < 200) begin  

count <= count + 1;

end else begin  

command <= 8'h90; // 讀取器件ID

addr <= 24'd0;

state <= 1;

count <= 1;

end  

if (flag_done) begin  

state_s <= 1;

end  

end  

// 其他狀態(tài)省略...

default: state_s <= 0;

endcase

end  

end  



endmodule

四、總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了基于FPGA的內(nèi)存128M Flash芯片控制器的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)選擇Xilinx公司的FPGA芯片和W25Q128FV Flash存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)了高速、可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取操作。設(shè)計(jì)方案包括系統(tǒng)架構(gòu)、Flash存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、SPI通信協(xié)議、狀態(tài)寄存器、控制器設(shè)計(jì)、操作流程和設(shè)計(jì)代碼示例等部分。該設(shè)計(jì)方案具有廣泛的應(yīng)用前景，可用于各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)系統(tǒng)中。