FPGA实战开发技巧（10）

5.5.3 SPI串行Flash配置模式
1．SPI串行配置介绍

串行Flash的特点是占用管脚比较少，作为系统的数据存贮非常合适，一般都是采用串行外设接口(SPI 总线接口)。Flash 存贮器与EEPROM根本不同的特征就是EEPROM可以按字节进行数据的改写，而Flash只能先擦除一个区间，然后改写其内容。一般情况下，这个擦除区间叫做扇区(Sector)，也有部分厂家引入了页面(Page) 的概念。选择Flash产品时，最小擦除区间是比较重要的指标。在写入Flash时，如果写入的数据不能正好是一个最小擦除区间的尺寸，就需要把整个区间的数据全部保存另外一个存贮空间，擦除这个空间，然后才能重新对这个区间改写。大多数Flash工艺更容易实现较大的擦除区间，因此较小擦除区间的Flash 其价格一般会稍贵一些。此外，SPI是标准的4线同步串行双向总线，提供控制器和外设之间的串行通信数据链路，广泛应用于嵌入式设备中。

赛灵思公司的新款FPGA都支持SPI接口。SPI总线通过4根信号线来完成主、从之间的通信，典型的SPI系统中常包含一个主设备以及至少一个从设备，在FPGA应用场合中，FPGA芯片为主设备，SPI 串行FLASH为从设备。4个SPI接口信号的名称和功能如表5-2所示。

表5-2 SPI接口信号列表

一个主芯片和一个从芯片的通信接口如图5-24所示。FPGA通过SCLK控制双方通信的时序，在SS_n为低时，FPGA通过MOSI 信号线将数据传送到FLASH，在同一个时钟周期中，FLASH通过SOMI将数据传输到FPGA芯片。无论主、从设备，数据都是在时钟电平跳转时输出，并在下一个相反的电平跳转沿，送入另外一个芯片。

图5-24 SPI接口连接示意图

其中SCLK信号支持不同的速率，一般常采用20MHz。通过SPI 接口中的CPOL和CPHA这两个比特定义了4种通信时序。其中，CPOL信号定义了SCLK的空闲状态，当CPOL为低时，SCLK的低电平为空闲状态，否则其空闲状态为高电平；CPHA定义了数据有效的上升沿位置，当其为低时，数据在第1 个电平跳转沿有效，否则数据在第2个电平跳转沿有效。其相应的时序逻辑如图5-25所示。

 

图5-27 CPHA为低时SPI的总线时序示意图

图5-28 CPHA为高时SPI的总线时序示意图

可以通过增加片选信号SS_n的位宽来支持多个从设备，SS_n的位宽等于从设备的个数。对于某时刻被选中的从设备和主设备而言，其读写时序逻辑和图5-29一样。

 

图5-29 多个从芯片的连接电路图

SPI串行FLASH作为一种新兴的高性能非易失性存储器，其有效读写次数高达百万次，不仅引脚数量少、封装小、容量大，可以节约电路板空间，还能够降低功耗和噪声。从功能上看，可以用于代码存储以及大容量的数据和语音存储，对于以读为主，仅有少量擦写和写入时间的应用来说，支持分区( 多页) 擦除和页写入的串行存储是最佳方案。

2．SPI串行FLASH配置电路

SPI串行配置模式常用于已采用了SPI串行FLASH PROM的系统，在上电时将配置数据加载到FPGA中，这一过程只需向SPI串行发送一个4字节的指令，其后串行FLASH中的数据就像PROM配置方式一样连续加载到FPGA中。一旦配置完成，SPI中的额外存储空间还能用于其它应用目的。

1)SPI 配置电路

虽然SPI接口是标准的4线接口，但不同的SPI FLASH PROM芯片采用了不同的指令协议。FPGA芯片通过变量选择信号VS[2:0] 来定义FPGA和SPI FLASH的通信方式、FPGA的读指令以及在有效接收数据前插入的冗余比特数。常用SPI FLASH与FPGA的有效操作配置如表5-3所示，其余的VS[2:0] 配置留有它用。

表5-3 赛灵思芯片所支持的SPI FLASH存储器以及配置列表

从整体上看来，控制SPI串行闪存比较容易，只需要使用简单的指令就能完成读取、擦除、编程、写使能/禁止以及其它功能。所有的指令都是通过4 个SPI 引脚串行移位输入的。

 

图5-30 支持快读写的串行FLASH配置电路示意图

不同型号的FPGA芯片具有数目不同的从设备片选信号，因此所挂的串行芯片数目也就不一样。例如：Spartan-3E系列FPGA芯片只有1位SPI从设备片选信号，因此只能外挂一片SPI串行FLASH芯片。在SPI串行FLASH配置模式下，M[2:0]=3’b001。FPGA 上电后，通过外部SPI 串行FLASH PROM完成配置，配置时钟信号由FPGA芯片提供时钟信号，支持两类业界常用的FLASH。

图5-30给出了Spartan3E系列FPGA支持0X0B快速读写指令的STMicro 25系列PROM的典型配置电路。其中的Flash芯片需要Flash编程器来加载配置数据；单片的FPGA芯片构成了完整的JTAG链，仅用来测试芯片状态，以及支持JTAG在线调试模式，与SPI配置模式没有关系。

从中可以看出，SPI Flash容量大，适合于大规模设计场合。但由于SPI配置需要专门的Flash编程器，且操作起来比较麻烦，不适合在产品研发阶段调试FPGA芯片，因此一般还会添加JTAG链专门用于在线调试。

 

图5-31 Atmel SPI串行FLASH配置电路示意图

图5-31给出了Spartan3E系列FPGA支持SPI协议的Atmel公司“C”、“D”系列串行Flash芯片的典型配置电路。这两个系列的FLASH芯片可以工作在很低温度，具有短的时钟建立时间。同样，单片的FPGA芯片构成了完整的JTAG链，仅用来测试芯片状态，以及支持JTAG在线调试模式，与SPI 配置模式没有关系。

表5-3给出了SPI配置接口的连线说明，每个SPI Flash PROM采用的名字略有不同，SPI Flash PROM的写保护信号和保持控制信号在FPGA配置阶段是不用的。其中HOLD管脚在配置阶段必须为高，为了编程Flash存储器，写保护信号必须为高。