5.5.3 SPI串行Flash装备形式
1．SPI串行装备介绍
串行Flash的特点是占用管脚比较少，作为体系的数据存贮十分适宜，一般都是选用串行外设接口(SPI 总线接口)。Flash 存贮器与EEPROM底子不同的特征便是EEPROM能够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。挑选Flash产品时，最小擦除区间是比较重要的目标。在写入Flash时，假如写入的数据不能正好是一个最小擦除区间的尺度，就需求把整个区间的数据悉数保存别的一个存贮空间，擦除这个空间，然后才干从头对这个区间改写。大多数Flash工艺更简略完结较大的擦除区间，因而较小擦除区间的Flash 其价格一般会稍贵一些。此外，SPI是规范的4线同步串行双向总线，供给操控器和外设之间的串行通讯数据链路，广泛运用于嵌入式设备中。
赛灵思公司的新款FPGA都支撑SPI接口。SPI总线经过4根信号线来完结主、从之间的通讯，典型的SPI体系中常包括一个主设备以及至少一个从设备，在FPGA运用场合中，FPGA芯片为主设备，SPI 串行FLASH为从设备。4个SPI接口信号的称号和功用如表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讯接口如图5-24所示。FPGA经过SCLK操控两边通讯的时序，在SS_n为低时，FPGA经过MOSI 信号线将数据传送到FLASH，在同一个时钟周期中，FLASH经过SOMI将数据传输到FPGA芯片。不管主、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，送入别的一个芯片。
图5-24 SPI接口衔接示意图
其间SCLK信号支撑不同的速率，一般常选用20MHz。经过SPI 接口中的CPOL和CPHA这两个比特界说了4种通讯时序。其间，CPOL信号界说了SCLK的闲暇状况，当CPOL为低时，SCLK的低电平为闲暇状况，不然其闲暇状况为高电平；CPHA界说了数据有用的上升沿方位，当其为低时，数据在第1 个电平跳转沿有用，不然数据在第2个电平跳转沿有用。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
能够经过增加片选信号SS_n的位宽来支撑多个从设备，SS_n的位宽等于从设备的个数。关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相同。
图5-29 多个从芯片的衔接电路图
SPI串行FLASH作为一种新式的高性能非易失性存储器，其有用读写次数高达百万次，不只引脚数量少、封装小、容量大，能够节省电路板空间，还能够下降功耗和噪声。从功用上看，能够用于代码存储以及大容量的数据和语音存储，关于以读为主，仅有少数擦写和写入时刻的运用来说，支撑分区( 多页) 擦除和页写入的串行存储是最佳计划。
2．SPI串行FLASH装备电路
SPI串行装备形式常用于已选用了SPI串行FLASH PROM的体系，在上电时将装备数据加载到FPGA中，这一进程只需向SPI串行发送一个4字节的指令，这以后串行FLASH中的数据就像PROM装备方法相同接连加载到FPGA中。一旦装备完结，SPI中的额定存储空间还能用于其它运用意图。
1)SPI 装备电路
尽管SPI接口是规范的4线接口，但不同的SPI FLASH PROM芯片选用了不同的指令协议。FPGA芯片经过变量挑选信号VS[2:0] 来界说FPGA和SPI FLASH的通讯方法、FPGA的读指令以及在有用接纳数据前刺进的冗余比特数。常用SPI FLASH与FPGA的有用操作装备如表5-3所示，其他的VS[2:0] 装备留有它用。
表5-3 赛灵思芯片所支撑的SPI FLASH存储器以及装备列表
从全体上看来，操控SPI串行闪存比较简略，只需求运用简略的指令就能完结读取、擦除、编程、写使能/制止以及其它功用。一切的指令都是经过4 个SPI 引脚串行移位输入的。
图5-30 支撑快读写的串行FLASH装备电路示意图
不同类型的FPGA芯片具有数目不同的从设备片选信号，因而所挂的串行芯片数目也就不相同。例如：Spartan-3E系列FPGA芯片只要1位SPI从设备片选信号，因而只能外挂一片SPI串行FLASH芯片。在SPI串行FLASH装备形式下，M[2:0]=3’b001。FPGA 上电后，经过外部SPI 串行FLASH PROM完结装备，装备时钟信号由FPGA芯片供给时钟信号，支撑两类业界常用的FLASH。
图5-30给出了Spartan3E系列FPGA支撑0X0B快速读写指令的STMicro 25系列PROM的典型装备电路。其间的Flash芯片需求Flash编程器来加载装备数据；单片的FPGA芯片构成了完好的JTAG链，仅用来测验芯片状况，以及支撑JTAG在线调试形式，与SPI装备形式没有关系。
从中能够看出，SPI Flash容量大，适合于大规模规划场合。但由于SPI装备需求专门的Flash编程器，且操作起来比较费事，不适合在产品研制阶段调试FPGA芯片，因而一般还会增加JTAG链专门用于在线调试。
图5-31 Atmel SPI串行FLASH装备电路示意图
图5-31给出了Spartan3E系列FPGA支撑SPI协议的Atmel公司“C”、“D”系列串行Flash芯片的典型装备电路。这两个系列的FLASH芯片能够作业在很低温度，具有短的时钟树立时刻。相同，单片的FPGA芯片构成了完好的JTAG链，仅用来测验芯片状况，以及支撑JTAG在线调试形式，与SPI 装备形式没有关系。
表5-3给出了SPI装备接口的连线阐明，每个SPI Flash PROM选用的姓名略有不同，SPI Flash PROM的写保护信号和坚持操控信号在FPGA装备阶段是不必的。其间HOLD管脚在装备阶段有必要为高，为了编程Flash存储器，写保护信号有必要为高。
