SPI协议（二）：SPI_Flash（M25P16）擦除操作

通过全擦除和扇区擦除可将固化到Flash芯片中的程序擦除。

一 SPI_Flash全擦除

全擦除就是将Flash芯片所有的存储空间都进行擦除，使各个存储空间的内存数据都恢复到初始值，Flash全擦除有两种方式:

(1)利用FPGA编译软件，通过Quartus软件中的“programmer”可将烧录到Flash中的*.jic文件擦除，如下图所示。

(2)通过编写全擦除程序，将Flash芯片进行全擦除。

1.1实验内容

编写全擦除程序，将Flash芯片事先烧录的程序擦除，使FPGA重新上电后，程序无法自启动。

全擦除指令和时序如下图所示：

由手册可知，全擦除指令是将Flash芯片中的所有存储单元置1，在写入全擦除指令之前，需要写入写使能（WREN）指令，将芯片置为写使能锁存（WEL）状态。拉低片选信号，写入全擦除指令，在指令写入过程中片选信号保持低电平，当指令被芯片所存后，将片选信号拉高；全擦除指令被锁存并执行后，需要等待一个完整的全擦除周期（tBE），才能完成Flash芯片的全擦除操作。

写使能指令和时序如下图所示：

写使能指令、全擦除指令以及其它操作指令写入Flash之前需要遵循芯片的串行输入时序，如下图所示：

需要注意tSLCH、tCHSH、tSHSL这三个参数值：

tSLCH：片选信号拉低到第一个有效数据写入，需要等待的时间，必须大于等于5ns。

tCHSH：最后一个有效数据写入到片选信号拉高，需要等待的时间，必须大于等于5ns。

tSHSL：片选信号拉高到再次拉低，需要等待的时间，必须大于等于100ns。

因此，完整的全擦除操作时序图如下所示，为了方便起见，每个等待时间统一为32个时钟周期，即640ns。

1.2工程代码

全擦除工程主要包含顶层例化flash_be_top、按键消抖key_filter、擦除控制spi_flash_be三个子模块。

spi_flash_be模块代码如下:

`timescale 1ns/1ps
module spi_flash_be(input           clk,input           rst_n,input         key_in,output   reg     cs_n,output reg     sck,output  reg     mosi
);parameter WR_EN_INST  =  8'h06; //写使能指令
parameter   BE_INST     =  8'hc7; //全擦除指令parameter    IDLE            =  4'b0001;   //空闲状态
parameter   WR_EN           =  4'b0010;   //写使能状态
parameter   DELAY           =  4'b0100;   //片选拉高等待状态
parameter   BE              =  4'b1000; //全擦除状态reg    [3:0]   curr_state;
reg [3:0]   next_state;
reg [4:0]   clk_cnt;            //系统时钟计数器
reg [2:0]   byte_cnt;       //字节计数器
reg [1:0]   sck_cnt;            //sck时钟计数器
reg [2:0]   bit_cnt;            //数据位计数器always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)curr_state   <=  IDLE;elsecurr_state <=  next_state;
endalways @(*)
beginnext_state <=  IDLE;case(curr_state)IDLE:beginif(key_in)next_state <=  WR_EN;elsenext_state    <=  IDLE;   endWR_EN:beginif(byte_cnt == 3'd1 && clk_cnt == 5'd31)next_state  <=  DELAY;elsenext_state    <=  WR_EN;      endDELAY:beginif(byte_cnt == 3'd2 && clk_cnt == 5'd31)next_state  <=  BE;elsenext_state   <=  DELAY;endBE:beginif(byte_cnt == 3'd6 && clk_cnt == 5'd31)next_state   <=  IDLE;elsenext_state <=  BE; enddefault: next_state  <=  IDLE;endcaseend//clk_Cnt:系统时钟计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)clk_cnt  <=  5'd0;else if(curr_state != IDLE)clk_cnt <=    clk_cnt + 1'b1;elseclk_cnt <= 5'd0;
end//byte_cnt：字节计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)byte_cnt <=  3'd0;else if(byte_cnt == 3'd6 && clk_cnt == 5'd31)byte_cnt   <=  3'd0;else if(clk_cnt == 5'd31)byte_cnt  <=  byte_cnt + 1'b1;elsebyte_cnt  <=  byte_cnt;
end//sck_cnt:sck时钟计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)sck_cnt  <=  2'd0;else if(curr_state == WR_EN && byte_cnt == 3'd1)sck_cnt  <=  sck_cnt + 1'b1;else if(curr_state == BE && byte_cnt == 3'd5)sck_cnt  <=  sck_cnt + 1'b1;elsesck_cnt    <=  2'd0;
end//bit_cnt:数据位计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)bit_cnt <= 3'd0;else if(sck_cnt == 2'd1)bit_cnt  <=  bit_cnt + 1'b1;elsebit_cnt    <=  bit_cnt;
end//cs_n:片选信号
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)cs_n <=  1'b1;else if(key_in)cs_n   <=  1'b0;else if(byte_cnt == 3'd2 && clk_cnt == 5'd31)cs_n   <=  1'b1;else if(byte_cnt == 3'd3 && clk_cnt == 5'd31)cs_n   <=  1'b0;else if(byte_cnt == 3'd6 && clk_cnt == 5'd31)cs_n   <=  1'b1;elsecs_n  <=  cs_n;
end//sck:sck时钟生成
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)sck  <=  1'b0;else if(sck_cnt == 2'd1)sck    <=  1'b1;else if(sck_cnt == 2'd3)sck    <=  1'b0;elsesck   <=  sck;
end//mosi:
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)mosi <=  1'b0;else if(byte_cnt == 3'd1 && clk_cnt == 5'd31)mosi   <=  1'b0;else if(byte_cnt == 3'd5 && clk_cnt == 5'd31)mosi   <=  1'b0;else if(byte_cnt == 3'd1 && sck_cnt == 2'd0)    //写入写使能指令mosi   <=  WR_EN_INST[7 - bit_cnt];else if(byte_cnt == 3'd5 && sck_cnt == 2'd0) //写入全擦除指令mosi    <=  BE_INST[7 - bit_cnt];elsemosi   <= mosi;
endendmodule

顶层模块flash_be_top代码如下：

`timescale 1ns/1ps
module flash_be_top(input           sys_clk,input           rst_n,input         key_in, output          cs_n,output         sck,output          mosi
);wire  key_flag;spi_flash_be u_spi_flash_be(.clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.key_in(key_flag),.cs_n(cs_n),.sck(sck),.mosi(mosi)
);key_filter u_key_filter(.clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.key_in(key_in),      //按键输入.key_flag(key_flag)       //检测到按键按下标志信号
);endmodule

仿真代码flsh_be_top_tb如下：

`timescale 1ns/1ps
module flsh_be_top_tb();reg     sys_clk;
reg     rst_n;
reg     key_in;wire cs_n;
wire    sck;
wire    mosi;initial
beginsys_clk    =  1'b1;rst_n     =  1'b0;key_in    =  1'b1;#200rst_n     =  1'b1;key_in    =  1'b0;#21_000_000key_in =  1'b1;
endalways #10 sys_clk   <=  ~sys_clk;defparam memory.mem_access.initfile = "initmemory.txt";flash_be_top u_flash_be_top(.sys_clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.key_in(key_in),.cs_n(cs_n),.sck(sck),.mosi(mosi)
);m25p16  memory
(.c          (sck  ),  //输入串行时钟,频率12.5Mhz,1bit.data_in    (mosi ),  //输入串行指令或数据,1bit.s          (cs_n ),  //输入片选信号,1bit.w          (1'b1 ),  //输入写保护信号,低有效,1bit.hold       (1'b1 ),  //输入hold信号,低有效,1bit.data_out   (     )   //输出串行数据
);endmodule

仿真结果如下：

仿真结果显示，当byte_cnt 为3’d1时完成写使能指令8’h06的写入，当字节计数器byte_cnt为3’d5时完成全擦除指令的写入。之后等待40s后，仿真结果提示全擦除操作完成。

1.3 板级验证

首先将流水灯程序烧录到Flash芯片中，断电后重新上电检测Flash芯片中的流水灯程序可以自启动，然后将全擦除程序下载到FPGA开发板中，之后断电后重新上电，发现流水灯程序无法自启动，可以说明全擦除程序板级验证成功。

二 SPI_flash扇区擦除

M25P16 Flash芯片总存储容量为16Mbit，分为32个扇区，每个扇区容量为512Kbit，扇区地址如下图所示：

2.1实验内容

通过扇区擦除工程将实现烧录到Flash芯片中的流水灯程序所在的某个扇区进行擦除，使流水灯程序上电之后无法自启动，本次选择擦除第0个扇区，扇区地址为24’h00_05_20。

扇区擦除指令和时序如下所示：

从数据手册可以看出，扇区擦除指令是将Flash芯片中的被选中扇区的所有存储单元置为1，在Flash芯片写入扇区擦除指令之前，需要先写入写使能（WREN）指令，将芯片设置为写使能锁存（WEL）状态。然后拉低片选信号，写入扇区擦除指令、扇区地址、页地址和字节地址，在写入过程中，片选信号一直保持低电平状态，当指令和地址被芯片锁存后，将片选信号拉高。扇区擦除指令、地址被锁存并执行后，需要等待一个完整的扇区擦除周期（tSE）,才能完成Flash芯片的扇区擦除操作。

完整的扇区擦除操作时序如下图所示，为了方便起见，每个等待时间统一为32个时钟周期，即640ns。

2.2工程代码

扇区擦除工程主要包括顶层例化flash_se_top、按键消抖key_filter、扇区擦除控制spi_flash_se三个子模块。

扇区擦除控制spi_flash_se模块如下：

`timescale 1ns/1ps
module spi_flash_se
#(parameter SE_ADDR     =  8'h00, //扇区地址parameter PP_ADDR     =  8'h05, //页地址parameter  BYTE_ADDR   =  8'h20  //字节地址
)
(input      clk,input       rst_n,input     key_in,output   reg cs_n,output reg sck,output  reg mosi
);localparam    WR_EN_INST  =  8'h06; //写使能指令
localparam  SE_INST     =  8'hd8; //扇区擦除指令localparam  IDLE            =  4'b0001;
localparam  WR_EN           =  4'b0010;
localparam  DELAY           =  4'b0100;
localparam  SE              =  4'b0000;reg    [3:0]   curr_state;
reg [3:0]   next_state;
reg [4:0]   clk_cnt;
reg [3:0]   byte_cnt;
reg [2:0]   bit_cnt;
reg [1:0]   sck_cnt;always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)curr_state   <=  IDLE;elsecurr_state <=  next_state;
endalways @(*)
beginnext_state <=  IDLE;case(curr_state)IDLE:beginif(key_in)next_state <=  WR_EN;elsenext_state    <=  IDLE;endWR_EN:beginif(byte_cnt == 4'd2 && clk_cnt == 5'd31)next_state <=  DELAY;elsenext_state    <=  WR_EN;      endDELAY:beginif(byte_cnt == 4'd3 && clk_cnt == 5'd31)next_state  <=  SE;elsenext_state   <=  DELAY;      endSE:beginif(byte_cnt == 4'd9 && clk_cnt == 5'd31)next_state <=  IDLE;elsenext_state <=  SE;     enddefault: next_state <= IDLE;endcase
end//clk_cnt:系统时钟计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)clk_cnt  <=  5'd0;else if(curr_state != IDLE)clk_cnt   <=  clk_cnt + 1'b1;elseclk_cnt    <=  5'd0;
end//byte_cnt:字节计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)byte_cnt <=  4'd0;else if(byte_cnt == 4'd9 && clk_cnt == 5'd31)byte_cnt   <=  4'd0;else if(clk_cnt == 5'd31)byte_cnt  <=  byte_cnt + 1'b1;elsebyte_cnt  <=  byte_cnt;
end//sck_cnt：sck时钟计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)sck_cnt  <=  2'd0;else if(curr_state == WR_EN && byte_cnt == 4'd1)sck_cnt  <=  sck_cnt + 1'b1;else if(byte_cnt >= 4'd5 && byte_cnt <= 4'd8)sck_cnt <=  sck_cnt + 1'b1;elsesck_cnt    <=  2'd0;
end//bit_cnt:数据位计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)bit_cnt  <=  1'b0;else if(sck_cnt == 2'd1)bit_cnt    <=  bit_cnt + 1'b1;elsebit_cnt    <=  bit_cnt;
end//sck:sck时钟生成
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n) sck <=  1'b0;else if(sck_cnt == 2'd1)sck    <=  1'b1;else if(sck_cnt == 2'd3)sck    <=  1'b0;elsesck   <=  sck;
end//cs_n:片选信号
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)cs_n <=  1'b1;else if(key_in)cs_n   <=  1'b0;else if(curr_state == WR_EN && byte_cnt == 4'd2 && clk_cnt == 5'd31)cs_n  <=  1'b1;else if(curr_state == DELAY && byte_cnt == 4'd3 && clk_cnt == 5'd31)cs_n  <=  1'b0;else if(curr_state == SE && byte_cnt == 4'd9 && clk_cnt == 5'd31)cs_n <=  1'b1;else cs_n <=  cs_n;
end//mosi:数据输出
always @(posedge clk or negedge rst_n)
beginif(!rst_n)mosi <=  1'b0;else if(byte_cnt == 4'd1 && clk_cnt == 5'd31)mosi   <=  1'b0;else if(byte_cnt == 4'd8 && clk_cnt == 5'd31)mosi   <=  1'b0;else if(byte_cnt == 4'd1 && sck_cnt == 2'd0)mosi    <=  WR_EN_INST[7 - bit_cnt];else if(byte_cnt == 4'd5 && sck_cnt == 2'd0)mosi  <=  SE_INST[7 - bit_cnt];else if(byte_cnt == 4'd6 && sck_cnt == 2'd0)mosi <=  SE_ADDR[7 - bit_cnt];else if(byte_cnt == 4'd7 && sck_cnt == 2'd0)mosi <=  PP_ADDR[7 - bit_cnt];else if(byte_cnt == 4'd8 && sck_cnt == 2'd0)mosi <=  BYTE_ADDR[7 - bit_cnt];else mosi    <=  mosi;
endendmodule

顶层例化flash_se_top模块如下：

`timescale 1ns/1ps
module flash_se_top(input           sys_clk,input           rst_n,input         key_in,output           cs_n,output         sck,output          mosi
);parameter SE_ADDR     =  8'h00; //扇区擦除地址
parameter   PP_ADDR     =  8'h05; //页地址
parameter   BYTE_ADDR   =  8'h20; //字节地址wire      key_flag;//spi_flash_se模块例化
spi_flash_se
#(.SE_ADDR  (SE_ADDR),.PP_ADDR  (PP_ADDR),.BYTE_ADDR    (BYTE_ADDR)
)
u_spi_flash_se(.clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.key_in(key_flag),.cs_n(cs_n),.sck(sck),.mosi(mosi)
);//key_filter 模块例化
key_filter u_key_filter(.clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.key_in(key_in),        //按键输入.key_flag(key_flag)       //检测到按键按下标志信号
);endmodule

仿真代码flash_se_top_tb如下：

`timescale 1ns/1ps
module flash_se_top_tb();reg        sys_clk;
reg     rst_n;
reg     key_in;wire cs_n;
wire    sck;
wire    mosi;initial
beginsys_clk    =  1'b1;rst_n =  1'b0;key_in    =  1'b1;#200rst_n =  1'b1;key_in    =  1'b0;#21_000_000key_in =  1'b1;
endalways #10 sys_clk   <=  ~sys_clk;defparam memory.mem_access.initfile = "initmemory.txt";flash_se_top u_flash_se_top(.sys_clk(sys_clk),.rst_n(rst_n),.key_in(key_in),.cs_n(cs_n),.sck(sck),.mosi(mosi)
);m25p16  memory
(.c          (sck   ),  //输入串行时钟,频率12.5Mhz,1bit.data_in    (mosi  ),  //输入串行指令或数据,1bit.s          (cs_n  ),  //输入片选信号,1bit.w          (1'b1  ),  //输入写保护信号,低有效,1bit.hold       (1'b1  ),  //输入hold信号,低有效,1bit.data_out   (      )   //输出串行数据
);endmodule

仿真结果如下：

仿真结果显示，在byte_cnt为4’d1时，完成写使能指令写入，当byte_cnt为4’d5时，完成扇区擦除指令写入，随后发送需要擦除的扇区地址、页地址和字节地址三个字节数据，经过3s后，仿真结果提示扇区擦除操作完成。

2.3 板级验证

将流水灯程固化到Flash芯片中，断电后上电验证流水灯程序可以自启动。然后下载扇区擦除工程到Cyclone IV 开发板中，按下按键，执行扇区擦除操作。最后，重新断电后上电，发现流水灯程序无法自启动，证明扇区擦除程序板级验证成功。