S25FL256S介绍及FPGA实现思路

  本文介绍 S25FL256S 这款 FLASH 芯片，并进行 FPGA 读写控制的实现（编程思路及注意事项）。

S25FL-S 介绍

管脚功能说明

• RESET#，input，硬件复位信号；
• CS#，input，片选信号；
• SCK，input，串行时钟；
• SI/IO0，inout，在 single mode 下的串行输入，在 Dual/Quad mode 下的 IO0；
• SO/IO1，inout，在 single mode 下的串行输出，在 Dual/Quad mode 下的 IO1；
• WP#/IO2，inout，在 single/Dual mode 下的写入保护，Quad mode 下的 IO2。在该管脚作为写入保护管脚时，当 WP# 为LOW时，在 WRR 命令期间，如果状态寄存器的状态寄存器写禁用（SRWD）位被设置为 1 时，将无法写入状态和配置寄存器，这可以防止状态寄存器的块保护（BP2、BP1、BP0）和 TBPROT 位的任何更改。同时，如果在 WRR 命令期间 WP# 为低电平，内存区域中受块保护和 TBPROT 位保护的所有数据字节也将被硬件保护，防止数据修改。WP# 芯片内部存在上拉电阻。
• HOLD#/IO3，inout，在 single/Dual mode 下的保持/暂停传输控制信号，Quad mode 下的 IO3。HOLD# 信号可用于暂停与设备的任何串行通信，而无需取消片选（CS#）或停止串行时钟（SCK），在 HOLD# 拉低后，若 SCK 处于 LOW，则立即进入保持状态，否则会在 SCK 的下降沿到达时进入保持状态，如下图。需注意，HOLD 不会终止已经在执行的操作。HOLD# 芯片内部存在上拉电阻。

  在 SDR 情况下，FLASH 会在 SCK 上升沿寄存数据，并在 SCK 下降沿转换输出数据；在 DDR 模式下将在 SCK 的每个边沿进行数据转换。

  在 single mode（也即传统的 SPI 协议）下，通过 SI 进行数据写入，通过 SO 进行数据读取；在 Dual/Quad Output mode 下，通过 SI 进行指令和地址的写入，而分别通过 IO0/IO1、IO0/IO/IO2/IO3 进行数据读回；而在 Dual/Quad Input/Output mode 下，通过 SI 传输指令，分别通过 IO0/IO1、IO0/IO1/IO2/IO3 进行地址写入（及可能存在的模式写入）和数据读回。

SPI 时钟模式

  S25FL256S 支持两种模式的 SPI 时钟：

• mode 0，时钟极性 CPOL=0，时钟相位 CPHA=0；
• mode 3，时钟极性 CPOL=1，时钟相位 CPHA=1；

SDR

  在 SDR 模式，两种时钟模式下，芯片都是在 SCK 上升沿锁存数据，在 SCK 下降沿转换数据。两种模式的不同之处在于空闲状态下 SCK 的状态，如下图所示

DDR

  DDR 模式也支持以上两种时钟模式。指令位总是锁定在时钟的上升边缘，与 SDR 模式中相同。而地址和输入输出数据都被锁定在 SCK 的上升和下降边缘上。如下图

工作模式

  在 single mode 模式以及 Dual/Quad Output Commands 模式下，命令和地址在 SI 线上单比特传输，而数据分别从 SO、IO0/IO1、IO0/IO1/IO2/IO3 传输；在 Dual/Quad I/O Commands 模式下，命令在 SI 上传输，而地址和数据都以数据对的形式在 IO0/IO1、IO0/IO1/IO2/IO3 上传输。时序分别如下图

• Single Bit Wide Commands

• Single Bit Wide I/O Commands

• Dual/Quad Output Commands

• Dual/Quad I/O Commands

• DDR Single Commands

• DDR Dual/Quad I/O Commands

  在图中读数据时序中的 Dummy 阶段，S25FL256S 不会对 I/O 进行响应，期间 FLASH 正在准备数据，Dummy 延迟的长度由配置寄存器的 CR[7:6] 决定。Dummy 期间，应当保持 CS#=L、RESET#=H、HOLD#/IO3=H，WP#/IO2 被忽略。由于 HOLD、WP 内部都具有上拉电阻，因此建议在 Dummy 期间主控端释放 IO0~IO3，以避免可能出现的驱动器冲突。

FLASH存储阵列（地址空间映射）

  S25FL 系列的 FALSH 存储阵列被划分为被称为**扇区（Sector）**的擦除单元。这些 Sector 要么是 4kB 和 64kB 扇区的组合，要么是统一的 256kB 扇区，与 FLASH 型号有关。对于笔者使用的 S25FL256SAGNFI00，关于其 Sector Type 的描述为 ‘A hybrid of 32 x 4-KB sectors with all remaining sectors being 64 KB, with a 256B programming buffer’，因此是如下的结构

对于 FL-S 系列具有 64KB Sector 的 128Mb/256Mb 芯片，针对 4KB Sector 区域，可以使用支持一次清除 4KB 的擦除命令，也可以使用 64KB 的擦除命令来一次性擦除 16 个 4KB 扇区。

  FL-S 128Mb 和 256Mb 具有混合扇区架构的 FLASH，其 4KB 扇区在初次交付时位于阵列地址的底部。然而，配置寄存器的 TBPARM 位 （Configuration Register 1 - bit2，CR1[2] ）可以被编程以反转扇区映射，以将 4-KB 扇区放置在阵列地址映射的顶部。因此用户必须检查 TBPARM 位，以确定扇区是否被倒置。

常用寄存器及相关指令

  寄存器状态有易失性（Volatile）、非易失性（Non-Volatile）、一次性可编程（OTP，One Time Programmable）等，其中非易失性和 OTP 类型的寄存器初始值与出厂时的配置有关，非易失性寄存器的持久性与 FLASH 存储阵列的相同。

Status Register 1 (SR1)

  SR1 寄存器相关指令：读 SR1 指令（RDSR1 05h）、写寄存器指令（WRR 01h）、写使能 （WREN 06h）、写失能（WRDI 04h）、清空状态寄存器（CLSR 30h）。

• SR1[7]，SR1 寄存器写失能，非易失性，为 1 时启用 WP# 的写保护功能。当 SRWD=1 且 WP#=H ，或 SRWD=0 时，SRWD 和 BP 位可以被 WRR 命令改变；
• SR1[6]，指示编程是否发生错误，易失性，只读，可使用 CLSR 重新置零；
• SR1[5]，指示擦除是否发生错误，易失性，只读，可使用 CLSR 重新置零；
• SR1[4:2]，块保护。当 CR1[3] 为 0 时，BP[2:0] 为非易失性，出厂时默认值被设为 0；当 CR1[3] 为 1 时，为易失性，且默认值为 1；
• SR1[1]，SR1 写使能，易失性，为 1 时可以进行写寄存器操作（WRR）、flash 编程和擦除操作。该位只会由 WREN、WRDI 命令影响，不会被 WRR 写入。由于默认值为 0，因此如果要写寄存器（WRR）、编程/擦除 flash，需要先执行 WREN 命令，随后才能执行对应命令；
• SR[0]，指示设备是否忙碌，只读，1 表示设备忙，0 表示空闲。

Status Register 2 (SR2)

  SR2 相关指令：读 SR2 指令（RDSR2 07h）。

• SR2[1]，擦除挂起，只读；
• SR2[0]，编程挂起，只读。

Configuration Register 1 (CR1)

  CR1 相关指令：读 CR1 指令（RDCR 35h）、写寄存器指令（WRR 01h）。在 16 数据周期的 WRR 命令中，可以对 CR1 进行写入操作。注意到 WRR 命令对应了多个寄存器的写入，如何控制 WRR 写入不同寄存器见本文下一小节。

• CR1[7:6]，控制延迟周期的 mode 和 Dummy 的长度，在不同时钟模式（SDR/DDR）和芯片型号（高性能 HPLC、增强高性能 EHPLC）下不尽相同，详见官方手册；

• CR1[5]，块保护配置起始。SR1 的 BP[2:0] 位允许用户可选择地保护阵列的一部分，范围从1/64、1/4、1/2等，一直到整个阵列，当TBPROT 被设置为 0 时，块保护被定义为从数组的顶部（最大地址）开始。出厂时 TBPORT 被配置为 0，如果被配置为 1 后，再尝试将它修改回 0 将会失败，并置位 R_ERR（SR1[6]），下面几个 OTP 的也是；

• CR1[3]，配置 SR1[4:2]（BP[2:0]）是否为易失性；

• CR1[2]，配置 Sector 地址是否倒置。由于 CR1[5:2] 都是 OTP 的，因此用户务必要检查这几个位；

• CR1[1]，非易失性，1 配置设备到 Quad 模式，0 则为 Dual 或 Single 模式。在配置到 1 时，WP# 与 HOLD# 功能不被监控，并在内部置为 HIGH，这两个引脚被用作 IO2、IO3。要使用 Quad Output Read、Quad I/O Read、Quad Page Programming 等四元功能时必须置位 Quad bit，而 Dual、Single 的操作不受影响，只是不需要驱动 WP# 和 HOLD# 了；

• CR1[0]，是否启用块保护以及 OTP 锁定。Freeze 位默认为 0，当 Freeze 位置为 1 时，将锁定状态寄存器中的 BP[2:0] 位、配置寄存器中的 TBPROT 和 TBPARM 位以及 OTP 地址空间（S25FL-S 具有独立的 1024 Byte 的 OTP 空间，被分为 32 个 32Byte 的Sector）。一旦 Freeze 位被置为 1，就只能通过断电重启或硬件复位重新置 0，而通过 WRR 或软复位重新置为 0 的尝试都会失败。

  关于 BP 位、TBPROT 位设置下的保护范围见下表

Autoboot Register (ABR)

  ABRD 相关指令：AutoBoot Read（ABRD 14h） 、 AutoBoot Write（ABWR 15h）。Autoboot 寄存器提供了一种自动读取启动代码的方法，作为开机重置、硬件重置或软件重置过程的一部分。

• ABR[31:9]，为启动引导代码的起始地址。ABSA 为 512 字节对齐地址，23bit 地址支持最大 32Gbit 地址空间的寻址，对于 256Mb 设备而言，只会用到 0_{65535dec（0h}00FFFFh）；

• ABR[8:1]，启动代码延迟；

• ABR[0]，Autoboot 使能。

Bank Address Register (BAR)

  BRAC 相关指令：访问块地址寄存器（BRAC B9h）、块地址寄存器读（BRRD 16h）、块地址寄存器写 （BRWR 17h）。

  该寄存器用于扩展高位地址，以实现对 3Byte 命令的兼容。对于 128Mb 以下的设备，只需要 24 位地址就可以访问（字节地址），而对于 256Mb 以上容量的设备，就需要第四字节来提供对更高地址的访问。对于遗留的 3 字节命令，需要该寄存器提供额外的高位地址。

• BAR[7]，EXTADD，易失性，默认值 0。当为 1 时，所有 3Byte 遗留指令也同新版指令一样采用 32bit 寻址，本寄存器的 BRAC[6:0] 不被使用；当为 0 时，遗留指令采用传统的 24bit 寻址，而由 BRA[6:0] 提供对高位地址的补充（由于当前只有最大 256Mb 的设备，所以只用到了 BRA[0]）。所以还是建议 256Mb 以上的设备直接采用新版的采用 32bit 寻址的命令，方便好多；

• BAR[0]，高位地址补充。

关于部分常用命令的解释

写使能命令（WREN 06h）

  任何编程非易失性存储空间的指令执行前都要先执行 WREN 命令，该命令会置位 WEL（SR1[1]）位。在上电、硬复位、相关编程命令执行完成后，WEL 都会重新复位为 0：

写寄存器命令（WRR 01h）

  WRR 命令可以写 SR1 和 CR1 寄存器，有 8 数据周期、16 数据周期两种，如果 CS# 在第 8 个数据周期后拉高，则只会写 SR1，而如果在 16 数据周期后再拉高 CS#，则会在 CS# 拉高后同时写入 SR1 和 CR1。

Autoboot

  自动引导功能允许主机内存控制器在复位结束后立即从 S25FL-S 设备获取引导代码，而无需发送读取命令，这节省了 32 个或更多的周期，并简化了启动引导代码读取所需的逻辑。ABE bit（ABR[0]）控制 Autoboot 功能是否启用。

  在上电、硬复位、命令复位（RESET F0h）后，Autoboot 功能将从预定地址（ABSA, ABR[31:9]）自动读取引导程序，主控制器只需要将 CS# 拉低并给入 SCK，则 S25FL-S 设备将在延迟指定周期（ABSD, ABR[8:1]）后输出代码流，在 CS# 拉高前将持续移出高位数据。需要注意，如果 ABSD=0，则 SCK 最大支持 50MHz。

  在 Autoboot 输出至少一个字节数据后任意时刻拉高 CS#，设备将回到标准 SPI 模式，可以接收并响应各种指令。

  根据 QUAD bit（CR1[1]）的配置情况，将分别在 SI 或 IO0~IO3 上传回数据。

读 flash 命令

  关于 main flash memory 的一系列读取命令，可以从任意字节地址开始读取，只要 CS# 没有拉高，flash 会将地址自动加一，顺序输出下一字节数据。如果在顺序读取过程中地址达到了最大，那么下一个数据地址将为 0。

  READ 命令和 FAST_READ 命令的时序都是一样的，只是支持的最大时钟不同，前者最大支持 50M，后者可支持最大 133MHz，时序如下

  对于 Quad Output Read，时序如下，地址也是在 SI 上顺序给出，而数据在 IO0~IO3 上返回；Dual Output 类似，只不过数据只从 IO0~IO1 上返回，这两种指令都不存在 mode 位

  对于 Dual I/O Read，地址和数据都在 IO0~IO1 上传输，根据芯片型号（HPLC or EHPLC）而决定有无 mode 字段

在存在模式位时，如果模式位为 Axh，则设备将保持在 Dual I/O 模式，在下一次 CS# 拉高再拉低后，可以直接从地址开始，而忽略命令字段，如下图

而如果模式位为 Axh 以外的任何值，设备都将在 CS# 拉高后回到传统的 SPI 模式下。

  对于 Quad I/O Read 模式，地址和数据都在 IO0~IO3 上传输，具有 mode 字段

若 mode 字段为 Axh，则会在 CS# 拉高后保持在 Quad I/O 模式，可在下一个 CS# 下降沿后直接从地址字段开始

如果模式位为 Axh 以外的任何值，设备将在 CS# 拉高后回到传统的 SPI 模式下。

写 flash 命令

  在执行写命令前必须先执行写使能命令 WREN，随后可以通过写 flash 命令写入 1~256/512 Byte 数据（具体最大数目以具体型号的 Page Size 确定），有 Page Programming（PP）、Singl Byte Programming 两类写指令。flash 存储空间的默认值为 1，通过写 flash 可以修改到 0 或保持为 1；如果 flash 中的数据已经被写入了 0，那么要修改回 1 必须通过擦除命令实现。

  对于 Page Programming，Page 在 Page 大小边界对齐，建议每次编程 16 Byte 的倍数个数据，且与 Page Size 对齐。Single Byte Programming 允许在任意字节地址写入单个字节数据（没有单独的 Single Byte Programming 命令，PP 命令可以在任意字节地址开始编程，因此兼容了 Single Byte Programming）。为了获取最优性能，建议 PP 在 Page 末尾处结束。

  注意到写 flash 命令和 Erase 命令都依赖于 WEL bit（SR1[1]），因此一个完整的 flash 写过程如下：WREN --> Erase --> WREN --> Write Flash。

  Page Programming 只能在单个 Page 里进行数据写入。如果 Addr 低 9/10 位（视 Page Size 决定）不为 0，则超出当前 Page 的数据会无法写入；而对于 Addr 低位为 0 的情况，由于 Programming Buffer 大小的限制，自然不会越界。

  当 PP 一次写入少于一个 Page 的数据时，将从指定地址开始依次写入数据，而不对当前 Page 内的其他数据造成影响。为了优化写入时间，建议每次写入一个完整的 Page。

  S25FL-S 有两类 PP 指令，Single Wide mode 和 Quad mode，而不支持 Dual mode。对于 Single mode，时序如下，最高可支持 133 MHz

对于 Quad mode，时序如下，最大支持 80MHz

需注意，这里不像 Quad I/O Read，不支持地址通过 IO0~IO3 传输，只能通过 SI 单线传输。

  Programming 过程可以被编程挂起命令（Program Suspend, PGSP 85h）中断，然后可以从其他非擦除 Sector 或非编程挂起的 Page 中读取数据，可以通过编程恢复命令（Program Resume, PGRS 8Ah）恢复写入。

flash 擦除命令

  有两类擦除命令：扇区擦除命令（Sector Erase, SE）、批量擦除命令（Bulk Erase, BE）。SE 命令仅擦除一个扇区，而 BE 命令会擦除整个 flash。在擦除命令的 CS# 拉高后，擦除循环就会启动；由于擦除过程较慢，因此用户可以检查 WIP bit（SR1[0]）查看是否完成擦除，擦除过程中 WIP=1，擦除完成后 WIP 将为 0。CS# 必须在最后一个地址位被移入后拉高，才可以启动擦除循环；如果没有被拉高，将不会进行擦除。

  可以通过 4P4E（21h）擦除 4KB 扇区，通过 4SE（DCh）擦除一个标准扇区（64KB 或 256KB），擦除操作会将扇区所有单元的值置为 1。4P4E 只能用于擦除 4KB 扇区，对于其他扇区将不会执行，且不会置位 E_ERR bit（SR1[5]），而应用于被保护的 4KB 扇区时，则会擦除失败，并置位 E_ERR bit。SE 命令用于受保护扇区时，也会擦除失败并置位 E_ERR bit。时序如下

  批量擦除命令（Bulk Erase, BE 60h or C7h），会将整个闪存中所有 bit 置 1。必须在第 8 个SCK 后拉高 CS# 以启动擦除循环，否则擦除循环不会启动。只有当 BP[2:0] 都为 0 时才能启动 BE，否则将不会执行 BE，也不会置位 E_ERR bit。

  可以通过擦除挂起命令（Erase Suspend, ERSP 75h）和擦除恢复命令（Erase Resume, ERRS 7Ah）挂起/恢复擦除操作。执行擦除挂起命令后，需要等待 $t_{ESL}$ 后设备才会挂起并置位 ES bit（SR2[1]），之后可以执行其他操作。擦除挂起命令只在 SE 操作期间有效，而 BE 操作期间将被忽略。在擦除挂起后，WIP bit 会被置 0，此时可以检查 ES bit 查看当前是擦除挂起（ES=1）还是擦除完成（ES=0）。

FPGA 实现（思路）

  （行文至此，内容较多，就不再附代码了，先进行思路的介绍，之后另开一篇专门放代码）

  笔者的芯片具体型号为 S25FL256SAGNFI00，存储容量 256Mb，增强高性能 EHPLC，4KB 与 64KB 混合 Sector 的存储阵列，256 Byte 的 Page Programming Buffer 大小，最高支持 133MHz，无硬复位 RESET# 引脚。

  为简单起见，采用 SDR 时钟模式；为了兼顾读写速度，采用 Quad mode；同时考虑到 Quad Page Programming 地址只能通过 SI 单线传输，因此读、写 FLASH 分别采用 Quad Output Read、Quad Page Programming，以实现时序格式的统一，简化编程。

  由于 S25FL-S 在 SCK 上升沿锁存数据，在 SCK 下降沿转换数据，因此主控端应在 SCK 下降沿转换数据，在 SCK 上升沿锁存数据。

  由于写 FLASH 需要先进行写使能以及擦除操作，而擦除操作需要检查 WIP bit（SR1[0]）；要使用 Quad 读写模式，需要置位 Quad bit（CR1[1]）；要判断地址映射类型和四元读模式下的 Dummy 长度，需要实现读写寄存器。因此需要实现以下功能：写使能 WREN、写失能 WRDI、写寄存器 WRR、清除状态寄存器 CLSR、读状态寄存器 RDSR1/RDSR2、读配置寄存器 RDCR、擦除操作（扇区擦除 4SE、批量擦除 BE）、四元编程操作 4QPP、Quad Output Read 操作 4QOR 等。

  为每一种功能单独写一个模块当然也是可行的思路，但过于繁杂；观察到在时序层面上述指令可以归类为简单的四种：单 8bit 指令（如 WREN、WRDI、CLSR、BE 等）、写寄存器（8bit 指令后跟随 1~4Byte 数据，SI 单线传输，如 WRR、ABWR、BRWR 等，甚至 8bit 指令 + 4Byte 地址的 4SE 也可归于此类）、读寄存器（8bit 指令（SI）后跟随 1~4Byte 输出（SO），如 RDSR1、RDSR2、RDCR1、ABRD、BRRD 等）、四元写 FLASH （8bit 指令（SI）+ 32bit 地址（SI）+ 1~256Byte 数据（IO0~IO3写），如 4QPP）、四元读 FLASH （8bit 指令（SI）+ 32bit 地址（SI）+ xbit Dummy + xByte 数据（IO0~IO3读回），如 4QOR）。

  因此可以首先实现以上四个基础模块，然后根据需要在上层模块中用状态机控制几个基础模块的运行。

（完）