基于FPGA的内存128M Flash芯片控制器设计方案

一、引言

随着21世纪智能化技术的飞速发展，数据存储需求急剧增加。Flash存储器作为一种非挥发性（Non-Volatile）内存，因其能够在无电流供应的情况下长久保持数据，成为各类便携型数字设备的理想存储介质。本文将详细介绍基于FPGA的内存128M Flash芯片控制器的设计方案，包括主控芯片型号的选择及其在设计方案中的作用。

二、主控芯片型号及其作用

1. FPGA芯片

型号选择：Xilinx公司的FPGA芯片（具体型号根据设计需求选择，如Xilinx Spartan-6系列或Virtex系列）。

作用：

• 可编程逻辑：FPGA内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑块之间可以灵活连接，适合实现复杂的控制逻辑。

• 高速数据处理：FPGA具有高速并行处理能力，适合处理大量数据，满足高速存储和读取的需求。

• 灵活设计：FPGA的设计可以通过硬件描述语言（如VHDL或Verilog）进行编程，便于实现定制化设计。

2. Flash芯片

型号选择：W25Q128FV（或其他兼容型号，如W25Q128BV）。

作用：

• 数据存储：W25Q128FV是一款容量为128Mbit的Flash存储器，适合存储大量数据。

• 非挥发性：Flash存储器能够在无电源供应的情况下保持数据，适用于需要长期保存数据的场合。

• SPI接口：支持SPI、Dual SPI和Quad SPI通信方式，便于与FPGA进行通信。

三、设计方案

1. 系统架构

系统主要由FPGA控制器、Flash存储器、时钟电路、复位电路和电源电路等组成。FPGA控制器通过SPI接口与Flash存储器进行通信，实现数据的读写和擦除操作。

2. Flash存储器结构

W25Q128FV Flash存储器由256个Block组成，每个Block包含16个Sector，每个Sector大小为4KB，由16个Page组成，每个Page大小为256Byte。这种结构便于进行扇区擦除和页写入操作。

3. SPI通信协议

FPGA通过SPI接口与Flash存储器进行通信。SPI通信协议包括时钟信号（SCLK）、片选信号（CS）、数据输入信号（MOSI）和数据输出信号（MISO）。FPGA作为主设备，Flash存储器作为从设备。

4. 状态寄存器

Flash存储器包含状态寄存器，用于指示当前操作的状态。状态寄存器的每一位都有特定的功能，如可读/忙标志位、写标志位等。FPGA通过读取状态寄存器来判断Flash存储器是否忙碌，从而决定是否可以执行下一步操作。

5. 控制器设计

FPGA控制器设计包括以下几个模块：

• 顶层模块（flash_top）：负责整体系统的控制和调度。

• 有限状态机（FSM）模块：根据指令和状态寄存器的反馈，控制Flash存储器的操作。

• Flash接口模块：实现SPI通信协议，与Flash存储器进行数据传输。

• 数码管显示模块：用于显示写入Flash存储器的数据。

6. 操作流程

1. 初始化：FPGA控制器上电后，首先进行初始化操作，包括配置时钟电路、复位电路和SPI接口等。

2. 读取器件ID：FPGA控制器发送读取器件ID的指令，Flash存储器返回厂商ID和设备ID。

3. 写使能：FPGA控制器发送写使能指令，置位Flash存储器的写标志位。

4. 扇区擦除：FPGA控制器发送扇区擦除指令，擦除指定的扇区。擦除操作前必须执行写使能指令。

5. 页写入：FPGA控制器发送页写入指令，将数据写入指定的页。写入操作前也必须执行写使能指令。

6. 读状态寄存器：FPGA控制器读取状态寄存器，判断当前操作是否完成。

7. 关闭写使能：FPGA控制器发送关闭写使能指令，复位Flash存储器的写标志位。

8. 读取数据：FPGA控制器发送读取数据指令，从Flash存储器中读取数据。

7. 设计代码示例

以下是FPGA控制器设计的部分代码示例（以VHDL语言为例）：

module flash_top(

input clk, rst_n,

output sclk, cs,

inout q0, q1,

output [5:0] sel,

output [7:0] seg

);



// 声明内部信号

wire [7:0] command;

wire [23:0] addr;

wire [2:0] state;

wire [7:0] data;

wire [23:0] show_data;

wire flag_done;



// 实例化Flash接口模块

flash flash_dut(

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.q0(q0),

.q1(q1),

.sclk(sclk),

.cs(cs),

.command(command),

.addr(addr),

.state(state),

.data(data),

.show_data(show_data),

.flag_done(flag_done)

);



// 实例化有限状态机模块

fsm fsm_dut(

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.flag_done(flag_done),

.command(command),

.addr(addr),

.state(state),

.data(data)

);



// 实例化数码管显示模块

seg seg_dut(

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.sel(sel),

.seg7(seg),

.data_in(show_data)

);



endmodule

module fsm(

input clk, rst_n, flag_done,

output reg [7:0] command,

output reg [23:0] addr,

output reg [2:0] state,

output reg [7:0] data,

reg [2:0] state_s,

reg [20:0] count

);



always @(posedge clk) begin  

if (!rst_n) begin  

state_s <= 0;

data <= 8'd0;

addr <= 24'd0;

command <= 8'd0;

state <= 0;

count <= 0;

end else begin  

case (state_s)

0: begin  

if (count < 200) begin  

count <= count + 1;

end else begin  

command <= 8'h90; // 读取器件ID

addr <= 24'd0;

state <= 1;

count <= 1;

end  

if (flag_done) begin  

state_s <= 1;

end  

end  

// 其他状态省略...

default: state_s <= 0;

endcase

end  

end  



endmodule

四、总结

本文详细介绍了基于FPGA的内存128M Flash芯片控制器的设计方案。通过选择Xilinx公司的FPGA芯片和W25Q128FV Flash存储器，实现了高速、可靠的数据存储和读取操作。设计方案包括系统架构、Flash存储器结构、SPI通信协议、状态寄存器、控制器设计、操作流程和设计代码示例等部分。该设计方案具有广泛的应用前景，可用于各类便携型数字设备的存储系统中。