一款支持 Nor Flash 读写的 SPI 主控制器设计，涵盖功能特性、架构、接口及寄存器说明。控制器支持 SPI 模式 0/3、Standard/Dual/Quad 模式及 XIP 模式，提供 APB 和 AHB 接口，具备 CRC32 校验功能。文章详细阐述了通过 APB 接口读写 W25Q128 Flash 的具体寄存器操作流程，包括写 Flash 和轮询状态寄存器等待空闲的方法。同时展示了 AHB 接口下的 XIP 模式连续与非连续读波形，以及 SOC 集成验证的 C 代码示例与测试结果。
（1）支持 SPI 模式 0 和模式 3（关于 SPI 模式的介绍网上有很多，这里不再赘述。重点注意一下：对于模式 0 和模式 3，发送端在 SPI 时钟下降沿发送数据，接收端在 SPI 时钟上升沿采样数据）； （2）支持 Standard SPI，Dual SPI，Quad SPI 模式； （3）支持 XIP 模式（支持 W25Q、N25Q、MX25L 等系列 SPI Flash）； 对于 XIP 模式的定义，每一款 Flash 器件的说法似乎有些细微的差异。本文的理解就是，在 XIP 模式下，Flash 器件可以看作一块类似于 sram 的存储设备，只需要通过地址即可读取 Flash 的存储内容。不需要像 SPI 接口读 Flash 时那样，需要先发送 flash 专用的读命令，其次发送读地址，以及可能需要发送的 dummy cycle，然后 Flash 才会返回读数据。本文设计的 SPI 主控器的 AHB path 能够将 AHB 读操作直接转换成 SPI 读 Flash 操作，因此从 AHB 接口端来看，Flash 就像一个普通的 sram 一样，通过地址即可读取 Flash 中的数据。 （4）SPI 控制器时钟频率为 50MHz 时（SPI 接口时钟 sclk 频率最高为 25MHz），AHB 接口地址连续读 W25QXX Flash 带宽最高约为 12.5MB/s，随机地址读带宽约 4.3MB/s； （5）支持对 AHB 接口读取的数据计算 CRC32 校验码（目的：验证 Flash Device 中的数据是否被正确传输到 SPI 主控制器端）；
![图片：SPI 架构设计]
（1）AMBA3 AHB-Lite 接口 （2）AMBA4 APB 接口 （3）SPI 接口
| Name | IO Type | description |
|---|---|---|
| cs_n | output | SPI 片选信号 |
| sclk | output | SPI 时钟信号 |
| io_0 | inout | SPI 数据线 0，MOSI |
| io_1 | inout | SPI 数据线 1，MISO |
| io_2 | inout | SPI 数据线 2 |
| io_3 | inout | SPI 数据线 3 |
（4）中断电平信号 在以下情况时会产生中断： i. 发送 buffer 为空； ii. 接收 buffer 非空； iii. 在 AHB path 检测到写操作（AHB path 为 XIP 模式，只支持读操作）；
![图片：寄存器映射]
APB 读写 Flash 需要通过多次访问寄存器来实现。
以 W25Q128 Flash 中写 Flash 的命令 Page Program (02h）为例，只需要通过访问寄存器依次将 1byte 命令、3byte 地址和若干待写入的数据以 byte 为单位发送出去即可。W25Q128 的 Page Program 命令的 sequence 如下图所示：
![图片：Page Program 序列]
(1) 向寄存器地址 8'h20 写入 32'h02（即把命令 8'h02 写入 tx_buf）； (2) 向寄存器地址 8'h0 写入 32'h1（即 abort=0, last_byte=0, op_mode=0, rx_trig=0, tx_trig=1）； (3) 循环读寄存器地址 8'h10，直到读数据的 bit0 为 1（即 tx_buf_empty=1）； (4) 向寄存器地址 8'h20 写入 32'h12（即把地址的高 8bit 写入 tx_buf）； (5) 向寄存器地址 8'h0 写入 32'h1； (6) 循环读寄存器地址 8'h10，直到读数据的 bit0 为 1； (7) 向寄存器地址 8'h20 写入 32'h34（即把地址的中间 8bit 写入 tx_buf）； (8) 向寄存器地址 8'h0 写入 32'h1； (9) 循环读寄存器地址 8'h10，直到读数据的 bit0 为 1； (10) 向寄存器地址 8'h20 写入 32'h56（即把地址的低 8bit 写入 tx_buf）； (11) 向寄存器地址 8'h0 写入 32'h1； (12) 循环读寄存器地址 8'h10，直到读数据的 bit0 为 1； (13) 向寄存器地址 8'h20 写入 32'hA0（即把要写入 Flash 的数据写入 tx_buf）； (14) 向寄存器地址 8'h0 写入 32'h11（即 abort=0, last_byte=1, op_mode=0, rx_trig=0, tx_trig=1）； 循环读寄存器地址 8'h10，直到读数据的 bit0 为 1；
![图片：APB 写 Flash 波形]
在 5.1 节中介绍了 Page Program 指令写 Flash 的流程，但是 Page Program 指令本身只是负责把要写入 Flash 的数据发送给 Flash 端，而数据真正写入 Flash 存储单元还需要一段时间，这个时间一般是需要若干毫秒。主控端可以通过定时的方式，固定延时多少毫秒后再发起下一次对 Flash 的读写访问；也可以通过循环读 Flash 中的状态寄存器，根据状态寄存器的值判断上一次的写操作或者擦除操作是否完成。本文设计的 SPI 控制器没有定时的功能，因此只能通过软件定时或者读 Flash 状态寄存器的方式判断当前 Flash 是否处于 busy 状态。
![图片：状态寄存器位定义]
W25Q128 的 BUSY 位在状态寄存器 1 的 bit0，读状态寄存器 1 的 sequence 如下图所示：
![图片：读状态寄存器序列]
(1) 向寄存器地址 8'h20 写入 32'h05（即把命令 8'h05 写入 tx_buf）； (2) 向寄存器地址 8'h0 写入 32'h2（即 abort=0, last_byte=0, op_mode=0, rx_trig=1, tx_trig=0）； (3) 循环读寄存器地址 8'h10，直到读数据的 bit 1 为 1（即 rx_buf_full=1）； (4) APB 读寄存器地址 8'h24，APB read data 即为状态寄存器 1 的值； (5) 判断状态寄存器 1 的 bit 0（BUSY）是否为 0，若为 0 则表示 flash 处于 idle 状态，向寄存器地址 8'h0 写入 32'h21/32'h22（即 abort 置 1，rx_trig 或 tx_trig 置 1，op_mode 和 last_byte 可以为任意值），将 cs_n 直接拉高，结束当前的 SPI 传输；否则返回步骤 (2)；
![图片：读状态寄存器波形 1]
![图片：读状态寄存器波形 2]
AHB 读数据位宽为 32bit，一次 AHB 读命令固定从 Flash 中读 4byte 数据，因此建议通过 AHB path 读 Flash 时，一次读 32bit 数据，从而提高读取速率。（AHB 的 narrow transfer 也是支持的，支持 AHB 一次读 1byte、2byte、4byte 数据，只是 AHB 读操作转换成 SPI 读 Flash 操作时，都是 4 字节对齐的读 Flahs 操作） 另外，该 SPI 主控支持 AHB 读取一个地址后，在没有收到下一个 AHB 读命令的情况下，自动从 Flash 中读取下一个地址的 32bit 数据，节省 SPI 读 Flash 时的命令、地址和 dummy 的开销，从而提高 AHB 连续读 Flash 的带宽。 （1）AHB 地址非连续读 Flash 波形如下，第一个读地址为 24'h123450，第二个读地址为 24'h123458。
![图片：AHB 非连续读波形]
（2）AHB 地址连续读 Flash 波形如下，第一个读地址为 24'h123450，第二个读地址为 24'h123454。
![图片：AHB 连续读波形]
（1）向寄存器地址 8'h28 写入 32'h3，使能 CRC32 计算的功能，并初始化 CRC32。 （2）通过 AHB 接口从 Flash 中读数据，所有 AHB 接口读取的数据都会参与 CRC32 的计算； （3）读取寄存器地址 8'h2C，获取 CRC32 的计算结果。
将该 SPI 主控和 ARM Cortex-M3 核集成在一起，并编写 C 代码对 Flash 进行读写测试。从 Flash 中读数据的测试结果如下。（已提前将 Flash 中的数据初始化为 0～256，即 Flash 地址 0～255 的值依次为 0～255，地址 256～511 的值同样依次为 0~255，其他地址的值以此类推） 测试的 C 代码：
![图片：C 代码截图]
串口打印结果：
![图片：串口打印结果]
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