08_SPI-Flash 扇区擦除实验

作者：不正经 | 2024-04-15 18:09:44

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08_SPI-Flash 扇区擦除实验

1. 实验目标
2. 操作时序
- 2.1 扇区擦除操作指令
- 2.2 完整扇区擦除操作时序
3. 程序框图
- 3.1 顶层框图
- 3.2 扇区擦除模块
4. 波形图
5. RTL
- 5.1 flash_se_ctrl
- 5.2 spi_flash_se
6. Testbench
- 6.1 tb_flash_se_ctrl
- 6.2 tb_spi_flash_se

1. 实验目标

编写扇区擦除工程，擦除事先烧录到 Flash 中的流水灯程序所占的某个扇区，使流水灯程序不能正常工作。在此次实验工程，我们选择擦除第 0 个扇区，擦除地址为24’h00_04_25。

2. 操作时序

2.1 扇区擦除操作指令

扇区擦除(Sector Erase)操作，简称 SE，操作指令为 8’b1101_0000(D8h)。
在这里插入图片描述

2.2 完整扇区擦除操作时序

在这里插入图片描述

3. 程序框图

3.1 顶层框图

在这里插入图片描述

3.2 扇区擦除模块

在这里插入图片描述

4. 波形图

在这里插入图片描述

5. RTL

5.1 flash_se_ctrl

`timescale  1ns/1ns




module  flash_se_ctrl
(
    input   wire    sys_clk     ,   //系统时钟，频率50MHz
    input   wire    sys_rst_n   ,   //复位信号,低电平有效
    input   wire    key         ,   //按键输入信号

    output  reg     cs_n        ,   //片选信号
    output  reg     sck         ,   //串行时钟
    output  reg     mosi            //主输出从输入数据
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//

//parameter define
parameter   IDLE    =   4'b0001 ,   //初始状态
            WR_EN   =   4'b0010 ,   //写状态
            DELAY   =   4'b0100 ,   //等待状态
            SE      =   4'b1000 ;   //扇区擦除状态
parameter   WR_EN_INST  =   8'b0000_0110,   //写使能指令
            SE_INST     =   8'b1101_1000;   //扇区擦除指令
parameter   SECTOR_ADDR =   8'b0000_0000,   //扇区地址
            PAGE_ADDR   =   8'b0000_0100,   //页地址
            BYTE_ADDR   =   8'b0010_0101;   //字节地址

//reg   define
reg     [3:0]   cnt_byte;   //字节计数器
reg     [3:0]   state   ;   //状态机状态
reg     [4:0]   cnt_clk ;   //系统时钟计数器
reg     [1:0]   cnt_sck ;   //串行时钟计数器
reg     [2:0]   cnt_bit ;   //比特计数器

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//

//cnt_clk:系统时钟计数器，用以记录单个字节
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        cnt_clk  <=  5'd0;
    else    if(state != IDLE)
        cnt_clk  <=  cnt_clk + 1'b1;

//cnt_byte:记录输出字节个数和等待时间
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        cnt_byte    <=  4'd0;
    else    if((cnt_clk == 5'd31) && (cnt_byte == 4'd9))
        cnt_byte    <=  4'd0;
    else    if(cnt_clk == 31)
        cnt_byte    <=  cnt_byte + 1'b1;

//cnt_sck:串行时钟计数器，用以生成串行时钟
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        cnt_sck <=  2'd0;
    else    if((state == WR_EN) && (cnt_byte == 1'b1))
        cnt_sck <=  cnt_sck + 1'b1;
    else    if((state == SE) && (cnt_byte >= 4'd5) && (cnt_byte <= 4'd8))
        cnt_sck <=  cnt_sck + 1'b1;

//cs_n:片选信号
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        cs_n    <=  1'b1;
    else    if(key == 1'b1)
        cs_n    <=  1'b0;
    else    if((cnt_byte == 4'd2) && (cnt_clk == 5'd31) && (state == WR_EN))
        cs_n    <=  1'b1;
    else    if((cnt_byte == 4'd3) && (cnt_clk == 5'd31) && (state == DELAY))
        cs_n    <=  1'b0;
    else    if((cnt_byte == 4'd9) && (cnt_clk == 5'd31) && (state == SE))
        cs_n    <=  1'b1;

//sck:输出串行时钟
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        sck <=  1'b0;
    else    if(cnt_sck == 2'd0)
        sck <=  1'b0;
    else    if(cnt_sck == 2'd2)
        sck <=  1'b1;

//cnt_bit:高低位对调，控制mosi输出
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        cnt_bit <=  3'd0;
    else    if(cnt_sck == 2'd2)
        cnt_bit <=  cnt_bit + 1'b1;

//state:两段式状态机第一段，状态跳转
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        state   <=  IDLE;
    else
    case(state)
        IDLE:   if(key == 1'b1)
                state   <=  WR_EN;
        WR_EN:  if((cnt_byte == 4'd2) && (cnt_clk == 5'd31))
                state   <=  DELAY;
        DELAY:  if((cnt_byte == 4'd3) && (cnt_clk == 5'd31))
                state   <=  SE;
        SE:     if((cnt_byte == 4'd9) && (cnt_clk == 5'd31))
                state   <=  IDLE;
        default:    state   <=  IDLE;
    endcase

//mosi:两段式状态机第二段，逻辑输出
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        mosi    <=  1'b0;
    else    if((state == WR_EN) && (cnt_byte == 4'd2))
        mosi    <=  1'b0;
    else    if((state == SE) && (cnt_byte == 4'd9))
        mosi    <=  1'b0;
    else    if((state == WR_EN) && (cnt_byte == 4'd1) && (cnt_sck == 5'd0))
        mosi    <=  WR_EN_INST[7 - cnt_bit];  //写使能指令
    else    if((state == SE) && (cnt_byte == 4'd5) && (cnt_sck == 5'd0))
        mosi    <=  SE_INST[7 - cnt_bit];    //扇区擦除指令
    else    if((state == SE) && (cnt_byte == 4'd6) && (cnt_sck == 5'd0))
        mosi    <=  SECTOR_ADDR[7 - cnt_bit];  //扇区地址
    else    if((state == SE) && (cnt_byte == 4'd7) && (cnt_sck == 5'd0))
        mosi    <=  PAGE_ADDR[7 - cnt_bit];    //页地址
    else    if((state == SE) && (cnt_byte == 4'd8) && (cnt_sck == 5'd0))
        mosi    <=  BYTE_ADDR[7 - cnt_bit];    //字节地址

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5.2 spi_flash_se

`timescale  1ns/1ns




module  spi_flash_se
(
    input   wire    sys_clk     ,   //系统时钟，频率50MHz
    input   wire    sys_rst_n   ,   //复位信号,低电平有效
    input   wire    pi_key      ,   //按键输入信号

    output  wire    cs_n        ,   //片选信号
    output  wire    sck         ,   //串行时钟
    output  wire    mosi            //主输出从输入数据
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//parameter define
parameter   CNT_MAX =   20'd999_999;    //计数器计数最大值

//wire  define
wire    po_key  ;

//********************************************************************//
//*************************** Instantiation **************************//
//********************************************************************//
//------------- key_filter_inst -------------
key_filter
#(
    .CNT_MAX    (CNT_MAX    )   //计数器计数最大值
)
key_filter_inst
(
    .sys_clk    (sys_clk    ),  //系统时钟，频率50MHz
    .sys_rst_n  (sys_rst_n  ),  //复位信号,低电平有效
    .key_in     (pi_key     ),  //按键输入信号

    .key_flag   (po_key     )   //消抖后信号
);

//------------- flash_se_ctrl_inst -------------
flash_se_ctrl  flash_se_ctrl_inst
(
    .sys_clk    (sys_clk    ),  //系统时钟，频率50MHz
    .sys_rst_n  (sys_rst_n  ),  //复位信号,低电平有效
    .key        (po_key     ),  //按键输入信号

    .sck        (sck        ),  //片选信号
    .cs_n       (cs_n       ),  //串行时钟
    .mosi       (mosi       )   //主输出从输入数据
);

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6. Testbench

6.1 tb_flash_se_ctrl

`timescale  1ns/1ns




module  tb_flash_se_ctrl();

//wire  define
wire    cs_n;
wire    sck ;
wire    mosi ;

//reg   define
reg     sys_clk     ;
reg     sys_rst_n   ;
reg     key         ;

//时钟、复位信号、模拟按键信号
initial
    begin
        sys_clk     =   0;
        sys_rst_n   <=  0;
        key <=  0;
        #100
        sys_rst_n   <=  1;
        #1000
        key <=  1;
        #20
        key <=  0;
    end

always  #10 sys_clk <=  ~sys_clk;

//写入Flash仿真模型初始值(全F)
defparam memory.mem_access.initfile = "initmemory.txt";

//------------- flash_se_ctrl_inst -------------
flash_se_ctrl  flash_se_ctrl_inst
(
    .sys_clk    (sys_clk    ),  //系统时钟，频率50MHz
    .sys_rst_n  (sys_rst_n  ),  //复位信号,低电平有效
    .key        (key        ),  //按键输入信号
                                
    .sck        (sck        ),  //串行时钟
    .cs_n       (cs_n       ),  //片选信号
    .mosi       (mosi       )   //主输出从输入数据
);

//------------- memory -------------
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
);

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6.2 tb_spi_flash_se

`timescale  1ns/1ns




module  tb_spi_flash_se();

//wire  define
wire    cs_n;
wire    sck ;
wire    mosi ;

//reg   define
reg     clk     ;
reg     rst_n   ;
reg     key     ;

//时钟、复位信号、模拟按键信号
initial
    begin
        clk =   0;
        rst_n   <=  0;
        key <=  0;
        #100
        rst_n   <=  1;
        #1000
        key <=  1;
        #20
        key <=  0;
    end

always  #10 clk <=  ~clk;

defparam memory.mem_access.initfile = "initmemory.txt";

//-------------spi_flash_se-------------
spi_flash_se    spi_flash_se_inst
(
    .sys_clk    (clk    ),  //系统时钟，频率50MHz
    .sys_rst_n  (rst_n  ),  //复位信号,低电平有效
    .pi_key     (key    ),  //按键输入信号

    .sck        (sck    ),  //串行时钟
    .cs_n       (cs_n   ),  //片选信号
    .mosi       (mosi   )   //主输出从输入数据
);

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
);


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