【FLASH存储器系列六】SPI NOR FLASH芯片使用指导之二

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       上一篇分享了W25Q128这款SPINORFlash的芯片简介、引脚定义、功能框图、器件操作相关章节，本篇继续分享芯片寄存器介绍、写保护操作、指令集相关指令介绍。

1寄存器

1.1状态寄存器1（SR1）

S0：1表示正在擦除或编程，0表示擦除或编程完毕；

S1：1表示写使能，0表示写禁止；

S2~S4：区块保护位可以用写状态寄存器1(WRSR1)指令设置，可以对全部、部分存储区域进行写保护或者全部都不保护。区块保护位在出厂时被置为0，对存储区域不保护；

S5：控制BP3~0保护范围是顶部(TB=0)或底部(TB=1)。出厂默认为0，可以用写状态寄存器1(WRSR1)指令设置；

S6：1表示保护4KB的扇区，0表示保护64KB的区块；

S7：与SRP1一起设置状态寄存器的保护

1.2状态寄存器2（SR2）

S8：与SRP0一起设置状态寄存器的保护；

注意:1.当SRP1,SRP0=(1,0)时，上电或器件复位后，(SRP1,SRP0)变为(0,0)。

S9：1表示支持QaudSPI或QPI，0表示支持DualSPI或SPI；

S11~S13：安全寄存器的锁定位，默认为0，安全寄存器未锁定，1表示安全寄存器锁定，无法被改写，且一旦设置为1，安全寄存器将被永久锁定；

S14：互补保护位与TB、BP3~0保护位一起使用，为存储器保护提供了更大的灵活性。当CMP设置为1时，TB、BP3~0之前设置的阵列保护将被反转。例如，当CMP=0时，一个64KB的区块可以被保护，而存储器的其余部分不被保护；当CMP=1时，最上面的64KB扇区将不再受保护，而存储器的其余部分将被保护变为只读。出厂默认设置为CMP=0；

S15：在执行擦除/编程挂起指令时，该位被设置为1，在执行擦除/编程恢复指令或重新上下电后，该位被设置为0；

1.3状态寄存器3（SR3）

S18：WPS位用于选择写保护方案。当WPS=0时，器件将使用CMP、TB、BP3~0的组合来保护存储器阵列的特定区域。当WPS=1时，设备将使用单个区块保护位来保护任意单个扇区或区块，出厂默认设置为WPS=0。；

S21~S22：DRV1和DRV0位用于设置管脚输出驱动能力；

S23：当HOLD/RST=0(工厂默认值)时，HOLD#引脚作为HOLD功能引脚；当HOLD/RST=1时，HOLD#引脚作为复位功能引脚。

2写保护

        使用非挥发性存储器时，必须考虑到系统中的噪声或其他意外情况可能会破坏数据的完整性。为避免此类情况，芯片提供了多种方式，以保护数据不受到意外的破坏。

1、在写操作过程中，当VCC低于阈值时芯片复位。

        当上电或下电时，如果VCC低于阈值VWI，芯片保持为复位状态。在复位状态下，芯片的所有操作被禁止，并且芯片不识别任何指令。

2、上电后一段时间内芯片禁止操作。

        在上电过程中，在VCC高于VWI之后的一段时间tPUW内,所有的编程及擦除指令被禁止，包括写使能，页编程，扇区擦除，全芯片擦除以及写状态寄存器指令。需要注意，在上电过程中，片选管脚CS#必须跟随电源电压VCC，直到达到VCC(min)并经过了tVSL的延迟。如果需要，可以在CS#管脚接上拉电阻。

3、支持写使能/写禁止指令，当擦除/编程结束后自动进入写禁止状态。

4、使用状态寄存器进行软件、硬件协同写保护。

        软件控制的写保护可方便使用写状态寄存器指令、设置状态寄存器保护位(SRP0,SRP1)、区块保护(CMP,SEC,TB,BP[2:0])位方便。这些设置允许将小到64KB扇区的部分或整个存储器配置为只读。通过与写保护(WP#)引脚配合使用，允许或禁止对状态寄存器的更改。

        如下表，表里BP3位在寄存器描述里没有，应该是表写错了。

        当WPS=0，CMP=0时，保护的区块如下表：

        当WPS=0，CMP=1时，保护的区块如下表：

        当WPS=1时，第0和511区块中的每个4K-字节扇区或每个64K-字节区块(第1~510区块)都可以设置独立的保护位，包括持久保护(PPB)（W25Q128不支持PPB保护指令，此指令应该是给4字节地址芯片使用的）和动态保护(DYB)2种机制。如果任一机制保护生效，则相应的扇区或区块被写保护。每个扇区或区块的保护包括一个非易失性(PPB)保护位和一个易失性(DYB)保护位。当PPB位为0或DYB位为1时，相应的扇区或区块被写保护。

        36h指令：DYB锁定，为了使用DYB保护模式，状态寄存器2的WPS必须设置为1。如果WPS=0，写保护将由状态寄存器中的CMP、TB、BP3~0位的组合决定。DYB锁定位是易失性的，上电或复位后默认值是1，所以整个内存数组被保护。为了锁定一个扇区或区块，在操作之前需要先执行写使能(WREN)，WREN指令将WEL置为1。然后执行“DYB锁定(36h)”指令，先CS#变低，输入指令码(36h)，跟随24/32-位地址，之后CS#变高。

        39h指令：DYB解锁，为了解锁一个扇区或区块，在操作之前需要先执行写使能(WREN)，WREN指令将WEL置为1。然后执行“DYB解锁(39h)”指令，先CS#变低，输入指令码(39h)，跟随24/32-位地址，之后CS#变高。

        3Dh指令：读DYB，为了读出一个扇区或区块的DYB锁定状态，先CS#变低，输入指令码(3Dh)，跟随24/32-位地址，之后在时钟下降沿输出数据，最高位在前。如果最低位(LeastSignificantBit-LSB)为1，指示相应的区块/扇区被锁定保护；如果最低位为0，指示相应的区块/扇区被解锁，可擦写。

        7Eh指令：全局DYB锁定，可以一次性把所有的DYB位设置为1，也就是全区保护。在操作之前需要先执行写使能(WREN)，WREN指令将WEL置为1。然后CS#变低，输入指令码(7Eh)，然后CS#变高。

        98h指令：全局DYB解锁，可以一次性把所有的DYB位设置为0。在操作之前需要先执行写使能(WREN)，WREN指令将WEL置为1。然后CS#变低，输入指令码(98h)，然后CS#变高。

        PPB指令包括（W25Q128不支持）：

        E2h指令：读PPB，为了读出一个扇区或区块的PBB锁定状态，先CS#变低，输入指令码(E2h)，跟随32-位地址，之后在时钟下降沿输出数据，最高位在前。如果最低位(LeastSignificantBit-LSB)为0，指示相应的区块/扇区被锁定保护；如果最低位为1，指示相应的区块/扇区被解锁，可擦写。在3-字节地址模式和4-字节地址模式下，“读PPB”指令都需要输入32-位地址。

        E3h指令：PPB编程，可以将所有的PPB设置为1。先执行“写使能(06h)”指令把WEL设置为1。接着CS#变低，输入指令码(E3h)和32-位地址，然后CS#立即驱动高执行编程PPB操作。内部PPB编程过程中，用户可以通过读状态寄存器1的WIP判断PPB编程是否结束。编程PPB操作不支持挂起(75h)操作。在3-字节地址模式和4-字节地址模式模式下，“PPB编程(E3h)”指令都需要输入32-位地址。

        E4h指令：PPB擦除，可以将所有的PPB设置为1。先执行“写使能(06h)”指令把WEL设置为1。接着CS#变低，输入指令码(E4h)和32-位地址，然后CS#立即驱动高执行擦除PPB操作。内部PPB擦除过程中，用户可以通过读状态寄存器1的WIP判断PPB擦除是否结束。擦除PPB操作不支持挂起(75h)操作。在3-字节地址模式和4-字节地址模式下，“PPB擦除(E4h)”指令都需要输入32-位地址。

        对于大于128Mbit的器件，状态寄存器3还有一个PPB锁定位PPBL。PPB锁定位是保护所有PPB位的易失性寄存器位。当清除为0时，锁定保护所有的PPB不被改写；当设置为1时，允许PPB被改写。在器件上电或复位后，PPB锁定位默认被设置为1，使PPB位不受保护。使用“写PPB锁定寄存器(A6h)”指令可将PPB锁位清除为0，以保护PPB。任何指令都不能将PPB锁位直接设置为1，因此PPB锁位将保持为0，直到下一次关机或软件/硬件复位。只有在所有的PPB被配置为所需的设置之后，PPB锁位才能被清除到0。相关指令：读状态寄存器3(15h)，写PPB锁定寄存器(A6h)。

5、使用深度下电指令进行写保护。

        执行“深度下电(B9h)”指令是把芯片设为最低功耗模式的唯一方法，这一方法也可以作为额外的软件写保护机制，因为在这一模式下，芯片忽略所有操作指令(除ABh指令)。把CS#变高可以不选中芯片，并使芯片处于待机模式(如果没有正在进行的内部操作)，但这不是深度下电模式。深度下电模式只能通过“深度下电(B9h)”指令指令进入，从而减小待机电流。电源掉电时，芯片自动退出深度下电模式，上电时，芯片总是处于待机模式。进入该模式的方法是把CS#变低，在DI上输入“深度下电(B9h)”指令。在发送指令的过程中，CS#必须保持为低。在“深度下电(B9H)”指令的第8位被锁存后，CS#必须被置高，否则指令不会被执行。在CS#被置高后，芯片需要tDP的延迟才能进入DP模式，电流降为ICC2。在深度下电模式下，芯片只接受”从深度下电恢复/读器件ID”指令，并恢复到正常状态。

6、通过状态寄存器2的LBx来保护安全寄存器。

        安全扇区锁定位是状态寄存器2中的非易失性一次性编程(OneTimeprogram-OTP)位，为安全扇区提供写保护控制。LB的出厂默认状态为0，安全扇区已解锁。LB可以使用写状态寄存器指令设置为1。因为LB具有一次性编程(OTP)特性，一旦它被设置为1时，相应的安全扇区将永久成为只读，不可被改写。

3指令集

        标准/Dual/QuadSPI指令集由79条基本指令组成，，这些指令完全通过SPI总线控制。指令由片选(CS#)的下降沿启动。第一个字节数据根据时钟同步在DI输入指令码。DI输入的数据在时钟的上升边缘首先以最高有效位(MSB)进行采样。

        QPI指令集由60条基本指令组成，它们完全通过QPI总线控制。指令由芯片片选(CS#)的下降沿启动。第一个字节数据根据时钟同步在DQ3~0输入指令码。在所有四个DQ引脚上的输入的数据首先在时钟的上升边缘首先以最高有效位(MSB)进行采样。所有QPI指令、地址、数据和Dummy字节使用四个DQ管脚，每个字节只需两个串行时钟周期。

        指令的长度从一个字节到若干字节变化，指令码后面可跟随地址字节、数据字节、或dummy字节。指令由CS#的上升沿结束。所有的读指令可以在任何时候结束，而所有写指令必须在字节边界处结束，否则指令被忽略。

        W25Q128FV由于不支持4字节地址和DTR，所以它只支持45种Standard/Dual/QuadSPI基础指令，支持32种QPI指令。

        下面挑选几条典型指令详细描述：

        普通读(03h)：

        “普通读”指令允许从存储器中顺序读出一个或多个数据字节，执行该指令时，CS#变低，然后输入指令“03h”后，跟随一个24位地址(A23-A0)或32位地址(A31-A0)。指令和地址在时钟上升沿被存储器锁存。之后存储器中给定地址上的数据在时钟下降沿上从DO输出，字节数据最高位在前。每个字节的数据输出后，存储器自动增加到下一个地址，这样外部只要持续输入时钟，存储空间的数据将按地址顺序依次输出。这意味着只要持续输入时钟，一次读操作可以访问整个存储空间，CS#变高结束读操作。当读操作访问到存储空间最高地址后，如果持续给时钟，内部地址自动会回绕到存储器的起始地址继续输出数据。“普通读”指令序列如下图所示，在擦除、编程或写执行过程中(WIP=1)，读指令被忽略，不影响正在执行的内部操作。“普通读”指令只支持标准SPI模式。

        快速读(0Bh)：

        “快速读指令”指令与“普通读”(03h)指令相似相似，差别是需要在指令(0Bh)和24/32-位地址之后，输入一定数量的Dummy时钟，且支持更高的工作频率。Dummy时钟数通过配置寄存器设置。

        “快速读指令(0Bh)”也支持QPI模式，Dummy时钟数通过配置寄存器设置。

        读命令不一一列举了，我这边总结一下：

    1、普通读(03h)：指令和地址都用一根线传；

    2、快速读(0Bh)：指令和地址都用一根线传，但是支持更高的时钟速率；

    3、DTR快速读(0Dh)：指令和地址都用一根线传，但是地址在时钟上升、下降沿均采样，数据在时钟上升、下降沿均输出；

    4、双口输出快速读(3Bh)：指令和地址都用一根线传，但是数据输出用DQ0、DQ1输出；

    5、四口输出快速读(6Bh)：指令和地址都用一根线传，但是数据输出用DQ0、DQ1、DQ2、DQ3输出；

    6、双口I/O快速读(BBh)：指令用一根线传，但是地址和数据用DQ0、DQ1两根线传；

    7、双口I/ODTR快速读(BDh)：指令用一根线传，地址和数据用DQ0、DQ1两根线传，但是双边沿采用；

    8、四口I/O快速读(EBh)：指令用一根线传，但是地址和数据用DQ0、DQ1、DQ2、DQ3四根线传；

    9、四口I/ODTR快速读(EDh)：指令用一根线传，地址和数据用DQ0、DQ1、DQ2、DQ3四根线传，但是双边沿采用；

    10、QPI模式-快速读(0Bh)：指令、地址、数据均用四根线传；

    11、QPI模式-DTR快速读(0Dh)：指令、地址、数据均用四根线传，且均双边沿采样。此模式读速度最快。

        页编程(02h)：

        “页编程(02h)”指令可以将1~256字节数据(一页)写入事先擦除过(FFh)的存储区域。在操作之前，需要先执行写使能。WREN指令将WEL置为1。首先把CS#变低，然后给出PP指令02h，随后是3/4字节的地址和至少一字节的数据。如果最低的8个地址位(A7~A0)不为全0，则所有超过当前页边界的数据将从本页的起始地址开始写入。在整个发送指令过程中，CS#必须保持为低。时序图如下图所示。如果发送给芯片的数据超过256字节，则地址计数回绕到页地址的起始处并覆盖之前发送的数据，因此只有最后的256个字节能保证被写入同一页内。在最后一个字节的第8位被锁存后，CS#必须被置高，否则编程不会开始。一旦CS#变高，芯片会启动自定时的内部编程周期。在内部编程过程中，可以读取状态寄存器以检查WIP位。内部编程过程中，WIP位等于1，编程结束后，WIP位等于0。在周期结束前的某一个时间(该时间未指定)，WEL位被复位。如果背景数据位为0，无法被编为1，内部校验通过，不报错。对被保护的区域不能执行页编程指令。“页编程(02h)”指令也支持QPI模式。

        四口输入页编程(32h)：

        “四口输入页编程(32h)”指令类似于“页编程(02h)”指令，差别是数据通过DQ3~0四个引脚输入。这使得数据传输速率时标准SPI接口的4倍，可以提高PROM编程器和5MHz频率以下应用的性能。如果系统时钟较快，四口输入页编程指令对于性能改善将不明显，因为内部操作时间比数据输入时间长很多，时序如下图所示。“四口页编程(32h)”指令仅支持SPI模式。

        扇区擦除(20h)：

        “扇区擦除(20h)”指令将选中的扇区(4KB)数据全部置为1。在操作之前，需要先执行写使能(WREN)。WREN指令将WEL置为1。首先把CS#变低，然后给出扇区擦除(20h)，随后是3/4字节的地址。在整个发送指令过程中，CS#必须保持为低。时序图如下图所示。在最后一个字节的第8位被锁存后，CS#必须被置高，否则扇区擦除不会开始。一旦CS#变高，芯片会启动自定时的扇区擦除周期。在擦除过程中，可以读取状态寄存器以检查WIP位。擦除过程中，WIP位等于1，擦除结束后，擦除结束后，WIP=WEL=0。对被保护的区域不能执行扇区擦除指令。指令支持QPI模式。

        擦除指令还有：32KB区块擦除(52h)，64KB区块擦除(D8h)，全芯片擦除(C7h/60h)，这里不一一赘述。