FPGA 读写访问 Flash_fpga flash

目录

前言

1、AT25DF641A flash芯片简介

2、AT25DF641A flash读访问时序

3、AT25DF641A flash写访问时序

（1）关于Protect Sector

（2）关于Write Enable

（3）关于Erase

（4）关于状态寄存器

（5）写访问时序

4 flash存储结构

5 NOR 与NAND Flash的区别

5.1 芯片管脚区别

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前言

工作中，用到过两种flash：M25P32、AT25DF641A。

下面以这个串行Flash（AT25DF641A）为例，对Flash读写访问进行简单介绍。

总结：

• flash能够单字节读写访问，也允许以页（4K字节）为单位做读写访问。
• SPI接口的串行flash，一般是NOR Flash；但也有串行SPI NAND Flash （F35SQA002G、W25M02GV(SpiStack））
• NAND Flash IO是8bit；但也有串行SPI NAND Flash （F35SQA002G、W25M02GV(SpiStack））
• NOR Flash中可以直接运行程序（XIP）；NAND Flash则受其内部结构的复杂限制，一般是不支持。
• Flash 的编程原理都是只能将 1 写为 0，而不能将 0 写为 1。所以在 Flash 编程之前，必须将对应的Page擦除，而擦除的过程就是把所有位都写为 1 的过程。
• 注：因为串行NOR Flash与串行NAND Flash所要实现的功能一致，为了减少/简化并行Nand Flash的接口，所以两者的封装等都是一样的，差异只是在于存储器单位存储的结构不同。
• flash在SCLK上升沿采样数据。如下图所示。

1、AT25DF641A flash芯片简介

AT25DF641A flash芯片管脚封装

2、AT25DF641A flash读访问时序

按照芯片手册的读时序进行即可，没有特别需要注意的地方。

3、AT25DF641A flash写访问时序

有几点说明需要注意：

（1）关于Protect Sector

由下图芯片手册说明可知，该Flash芯片在上电后，会默认处于保护状态。

在Flash芯片处于保护状态下，是不允许写访问和擦除操作。

（2）关于Write Enable

首先需要知道，WEL bit 需要在写访问和擦除操作之前置1。

其次需要知道，WEL bit在写访问和擦除操作等成功后，会被自动清0。

（3）关于Erase

首先需要知道，写访问的地址空间必须是擦除过的地址空间。

其次需要知道，进行擦除操作之前，需要先将WEL bit置1.

最后需要知道，擦除操作成功后，Flash芯片会自动将WEL bit清零。

    Flash 的编程原理都是只能将 1 写为 0，而不能将 0 写为 1。所以在 Flash 编程之前，必须将对应的Page擦除，而擦除的过程就是把所有位都写为 1 的过程。

1.擦除的单位是page，一个page可能是256B也可能是512B。

2.擦除的地址需要提前进行页对齐。

实现目标 擦除一个page的数据
流程：

（1）设置寄存器为page擦除状态
（2）加载一个无效数据dummy，任意值到目标区域上
（3）激活寄存器高电平状态
（4）加一个while死循环，等待高电平状态消失，高电平状态消失说明擦写完成
（5）使能寄存器的鉴别模式
（6）读出所有数据和0xFFFFFFFF比较
（7）数据相符，关闭寄存器verify模式，返回success。失败重复上面所有步骤
（8）失败次数达到门限值，关闭寄存器verify模式，返回fail

（4）关于状态寄存器

一般在所有数据全部写入Flash之后，会将Flash芯片置于保护状态。

（5）写访问时序

在发写指令和写地址之前，需要进行下面几个步骤：

1. Write Enable，取消保护
2. Write Enable，擦除对应地址空间
3. Write Enable，等待写指令、写地址、写数据。

在上面3个步骤执行完之后，按照手册的写访问时序进行即可实现数据的写入操作。

Byte写访问和Page写访问，是没有太大区别的。因为他们发的写指令码是一样的。

详细的代码不再介绍，按时序图写Verilog代码即可。

4 flash存储结构

这部分引用文章  “片外存储器---FLASH以及页、扇区、块介绍” ，方便阅读和理解。

（一） 什么是FLASH存储器?

　　FLASH属于广义的ROM，因为它也是带电擦除的ROM。但是为了区别于一般的按字节为单位的擦写的E2PROM，我们叫它FLASH。FLASH做的改进就是擦除时不再以字节为单位，而是以块为单位。

　　FLASH分为Nor FLASH和NAND FLASH。NOR FLASH数据线和地址线分开，可以实现RAM一样的随机寻址功能，可以读取任何一个字节。但是擦除仍要按块来擦。

　　NAND FLASH同样是按块擦除，但是数据线和地址线复用，不能利用地址线随机寻址。读取只能按页来读取（NAND FLASH按块来擦除，按页来读，NOR FLASH没有页）。由于NAND FLASH引脚上复用，因此读取速度比NORFLASH慢一点，但是擦除和写入速度比NORFLASH快很多。NAND FLASH内部电路更简单，因此数据密度大，体积小，成本也低。因此大容量的FLASH都是NAND型的。小容量的2~12M的FLASH多是NOR型的。

　　NORFLASH可以进行字节寻址，所以程序可以在NOR FLASH中运行。嵌入式系统多用一个小容量的NOR FLASH存储引导代码，用一个大容量的NAND FLASH存放文件系统和内核。
 

（二）Flash中页、扇区、块是什么意思？有什么区别？

　　Flash是用于存储数据的存储器，但很多人看到页(Page)、扇区(Sector)、块(Block)等这些单位时总是分不清楚到底是什么含义，下面就来详细讲解一下！

　　下面以W25Q128芯片为例，先看下面这段话：

　　W25Q128存储芯片是由65536可编程的页组成的，每页有256个字节。一次最多可以写256个字节。可以一次擦除16页（4K字节）、128页（32K字节）、256页(64K字节)或者一整片。W25Q128有4096个可擦除的扇区，256个可擦除的块。4K字节的扇区对于数据和参数存储有更高的灵活性。
　　如果不理解的话，先看完下面的内容之后，再回过头来看就会理解了。

 

 

5 NOR 与NAND Flash的区别

5.1 芯片管脚区别

nor flash一般是串行传输，即通常意义上走的SPI协议端口。

 nand flash

一、NAND flash和NOR flash的性能比较
1、NOR的读速度比NAND稍快一些。
2、NAND的写入速度比NOR快很多。
3、NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
4、大多数写入操作需要先进行擦除操作。
5、NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

二、NAND flash和NOR flash的接口差别
NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

三、NAND flash和NOR flash的容量和成本
NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。

四、NAND flash和NOR flash的可靠性和耐用性
采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

五、NAND flash和NOR flash的寿命(耐用性)
在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

七、EDC/ECC算法
这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

八、坏块处理
NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。
NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

九、易于使用
可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。
由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

十、软件支持
当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。
在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。
使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。
驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

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参考文献