Flash基礎知識以及常用指令
- 背景知識
最近在做的項目中，有個需要支持遠程升級固件的需求。大體架構就是通過上位機把需更新的固件下發到FPGA中，然後通過FPGA寫入用來存放固件的Flash裏。調試了一段時間，總算實現了這一功能，在實現的過程中，網上前輩們的分享幫了我很大的忙，所以作爲回饋，我也把實現過程中相關的知識點記錄下來與大家分享，可能有說得不對的地方，歡迎指正。打算分三篇文章來講述。
- Flash的簡單分類
flash閃存是非易失存儲器，可以對稱爲塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。flash按照內部存儲結構不同，大體上可以分爲兩種：nor flash和nand flash。nor flash數據線和地址線分開，可以實現ram一樣的隨機尋址功能，可以讀取任何一個字節。但是擦除仍要按塊來擦。nand flash同樣是按塊擦除，但是數據線和地址線複用，不能利用地址線隨機尋址。讀取只能按頁來讀取。NOR Flash的讀取，用戶可以直接運行裝載在NOR FLASH裏面的代碼。NAND Flash沒有采取內存RAM的隨機讀取技術，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進行的，通常是一次讀取512個字節，採用這種技術的Flash比較廉價。用戶不能直接運行NAND Flash上的代碼，因此好多使用NAND Flash的開發板除了使用NAND Flah以外，還作上了一塊小的NOR Flash來運行啓動代碼。
現在有些芯片爲了減少啓動引腳，可以採用QSPI serial flash作爲啓動存儲器。其採用spi/qspi 的方式進行串行的讀取數據，減小引腳消耗。這個只是通信方式的改變，其內部結構一般還是nor flash或者nand flash。這個我們就不去深究了。
- Flash常用指令以及時序關係
Flash常用的指令操作有：讀ID、擦除（有三種方式）、頁編程、讀操作（讀寄存器、讀數據）、寫操作（設置寄存器）等。一般來說，Flash的地址是24bit，最大隻能支持16MB，面對更大容量的Flash，需要將地址配置爲32bit，也就是需要將flash設置成4-byte模式。
下面以微邦的一款flash芯片W25Q128手冊爲例，描述一下上述的主要操作指令。不同廠家的芯片可能指令碼可能會不大一樣，注意區別。涉及到的時序，以標準的四線SPI總線爲例，因爲這種模式用的最普遍。
FLASH常用芯片指令表（部分）
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指令 |
第一字節(指令編碼) |
第二字節 |
第三字節 |
第四字節 |
第五字節 |
第六字節 |
第七-N字節 |
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Write Enable |
06h |
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Write Disable |
04h |
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Read Status Register |
05h |
(S7–S0) |
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Write Status Register |
01h |
(S7–S0) |
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Read Data |
03h |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
(D7–D0) |
(Next byte) |
continuous |
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Fast Read |
0Bh |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
dummy |
(D7–D0) |
(Next Byte) continuous |
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Fast Read Dual Output |
3Bh |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
dummy |
I/O = (D6,D4,D2,D0) O = (D7,D5,D3,D1) |
(one byte per 4 clocks, continuous) |
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Page Program |
02h |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
D7–D0 |
Next byte |
Up to 256 bytes |
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Block Erase(64KB) |
D8h |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
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Sector Erase(4KB) |
20h |
A23–A16 |
A15–A8 |
A7–A0 |
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Chip Erase |
C7h |
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Power-down |
B9h |
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Release Power- down / Device ID |
ABh |
dummy |
dummy |
dummy |
(ID7-ID0) |
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Manufacturer/ Device ID |
90h |
dummy |
dummy |
00h |
(M7-M0) |
(ID7-ID0) |
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JEDEC ID |
9Fh |
(M7-M0) 生產廠商 |
(ID15-ID8) 存儲器類型 |
(ID7-ID0) 容量 |
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該表中的第一列爲指令名，第二列爲指令編碼，第三至第N列的具體內容根據指令的不同而有不同的含義。表中“A0~A23”指FLASH芯片內部存儲器組織的地址；“M0~M7”爲廠商號（MANUFACTURER ID）；“ID0-ID15”爲FLASH芯片的ID；“dummy”指該處可爲任意數據；“D0~D7”爲FLASH內部存儲矩陣的內容。
- Read ID
通過指令表中的讀ID指令“JEDEC ID”可以獲取這兩個編號，該指令編碼爲“9F h”，其中“9F h”是指16進制數“9F” (相當於C語言中的0x9F)。緊跟指令編碼的三個字節分別爲FLASH芯片輸出的“(M7-M0)”、“(ID15-ID8)”及“(ID7-ID0)” 。通過read ID的指令，我們可以獲取芯片的相關ID信息。
- 擦除。也可以叫預編程吧，根據flash的特性，在進行寫入之前，需要對目標區域進行擦除，將對應的位置置1。在所列舉的芯片中，擦除分了三種類型（扇區擦除Sector_erase、塊擦除Block_erase,以及整個芯片擦除Chip_erase）。他們之間的區別是，擦除區域的大小不一樣。
扇區擦除指令將指定扇區（4K字節）內的所有存儲器設置爲全部擦除狀態置1（FFh）。需要注意的是，在執行擦除之前， 必須執行一次寫使能指令指令（狀態寄存器位WEL必須等於1）。
另外兩種擦除方式，大同小異，就不展開說了，需要注意的是，Chip_erase在指令碼後面不需要帶目標擦除區域的起始地址。
- 頁編程。Page_program。
頁編程，一次寫入256個字節的數據到flash。需注意的是，在執行頁編程之前，需執行一次寫使能指令。
- 寫操作。
這裏的寫操作，主要是指設置單個寄存器的值，例如將flash設置成4字節地址模式，設置寫使能等等。
設置狀態寄存器的值，指令碼後面，緊跟着對應的想要設置的寄存器值即可。
- 讀操作
這裏讀操作主要可以分兩種，一種是讀狀態寄存器值，另外一種是讀去flash存儲的數據。
值得注意的是，讀狀態寄存器指令在任何時候都可以執行，即使在編程，擦除或寫入時，也可以隨時使用讀狀態寄存器指令。
常規讀數據：
讀數據指令允許從存儲器中順序讀取一個或多個數據字節。該通過將/ CS引腳驅動爲低電平然後移位指令代碼“03h”然後移位a來啓動指令24位地址（A23-A0）進入DI引腳。 代碼和地址位在上升沿鎖存CLK引腳。 收到地址後，尋址存儲單元的數據字節將被移出在CLK的下降沿處的DO引腳上，最高有效位（MSB）優先。地址會自動增加。也就是說在下發讀指令的時候，只需要配置目標區域起始地址即可。然後數據會源源不斷地被讀出來，直到片選信號cs被拉高，讀數結束。
快速讀：
快速讀取指令與常規讀取數據指令類似，只是它可以在FR最高頻率下工作（參見交流電氣特性），提高讀取速度。其中dummy clock時間段裏的數據可以忽略。（該指令目前我用的比較少，沒實踐過，就不展開了）
