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SPI协议（二）：SPI_Flash（M25P16）擦除操作_tshsl

作者：Monodyee | 2024-04-15 18:07:53

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tshsl

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)
begin
	if(!rst_n)
		curr_state	<=	IDLE;
	else
		curr_state	<=	next_state;
end
 
always @(*)
begin
	next_state	<=	IDLE;
	case(curr_state)
		
		IDLE:begin
			if(key_in)
				next_state	<=	WR_EN;
			else
				next_state	<=	IDLE;	
		end
		
		WR_EN:begin
			if(byte_cnt == 3'd1 && clk_cnt == 5'd31)
				next_state	<=	DELAY;
			else
				next_state	<=	WR_EN;		
		end
		
		DELAY:begin
			if(byte_cnt == 3'd2 && clk_cnt == 5'd31)
				next_state 	<=	BE;
			else
				next_state	<=	DELAY;
		end
		
		BE:begin
			if(byte_cnt == 3'd6 && clk_cnt == 5'd31)
				next_state	<=	IDLE;
			else
				next_state	<=	BE;	
		end
		
		default: next_state	<=	IDLE;
	
	endcase
 
end
 
//clk_Cnt:系统时钟计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		clk_cnt	<=	5'd0;
	else if(curr_state != IDLE)
		clk_cnt <=	clk_cnt + 1'b1;
	else
		clk_cnt <=	5'd0;
end
//byte_cnt：字节计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!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;
	else
		byte_cnt	<=	byte_cnt;
end
//sck_cnt:sck时钟计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!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;
	else
		sck_cnt	<=	2'd0;
end
//bit_cnt:数据位计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		bit_cnt <= 3'd0;
	else if(sck_cnt == 2'd1)
		bit_cnt	<=	bit_cnt + 1'b1;
	else
		bit_cnt	<=	bit_cnt;
end
 
//cs_n:片选信号
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!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;
	else
		cs_n	<=	cs_n;
end
//sck:sck时钟生成
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		sck	<=	1'b0;
	else if(sck_cnt == 2'd1)
		sck	<=	1'b1;
	else if(sck_cnt == 2'd3)
		sck	<=	1'b0;
	else
		sck	<=	sck;
end
 
//mosi:
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!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];
	else
		mosi	<= mosi;
end
endmodule

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 
begin
	sys_clk	=	1'b1;
	rst_n		=	1'b0;
	key_in	=	1'b1;
	#200
	rst_n		=	1'b1;
	key_in	=	1'b0;
	#21_000_000
	key_in	=	1'b1;
end
 
always #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)
begin
	if(!rst_n)
		curr_state	<=	IDLE;
	else
		curr_state	<=	next_state;
end
always @(*)
begin
	next_state	<=	IDLE;
	case(curr_state)
		
		IDLE:begin
			if(key_in)
				next_state	<=	WR_EN;
			else
				next_state	<=	IDLE;
		end
		
		WR_EN:begin
			if(byte_cnt == 4'd2 && clk_cnt == 5'd31)
				next_state	<=	DELAY;
			else
				next_state	<=	WR_EN;		
		end
		
		DELAY:begin
			if(byte_cnt == 4'd3 && clk_cnt == 5'd31)
				next_state	<=	SE;
			else
				next_state	<=	DELAY;		
		end
		
		SE:begin
			if(byte_cnt == 4'd9 && clk_cnt == 5'd31)
				next_state	<=	IDLE;
			else
				next_state	<=	SE;		
		end
		
		default: next_state <= IDLE;
	endcase
end
//clk_cnt:系统时钟计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		clk_cnt	<=	5'd0;
	else if(curr_state != IDLE)
		clk_cnt	<=	clk_cnt + 1'b1;
	else
		clk_cnt	<=	5'd0;
end
 
//byte_cnt:字节计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!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;
	else
		byte_cnt	<=	byte_cnt;	
end
 
//sck_cnt：sck时钟计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!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;
	else
		sck_cnt	<=	2'd0;
end
//bit_cnt:数据位计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)
		bit_cnt	<=	1'b0;
	else if(sck_cnt == 2'd1)
		bit_cnt	<=	bit_cnt + 1'b1;
	else
		bit_cnt	<=	bit_cnt;
end
 
//sck:sck时钟生成
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!rst_n)	
		sck	<=	1'b0;
	else if(sck_cnt == 2'd1)
		sck	<=	1'b1;
	else if(sck_cnt == 2'd3)
		sck	<=	1'b0;
	else
		sck	<=	sck;
end
//cs_n:片选信号
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
	if(!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)
begin
	if(!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;
end
endmodule

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 
begin
	sys_clk	=	1'b1;
	rst_n	=	1'b0;
	key_in	=	1'b1;
	#200
	rst_n	=	1'b1;
	key_in	=	1'b0;
	#21_000_000
	key_in	=	1'b1;
end
 
always #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。

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