SPI FLASH硬件电路设计

• 1 简介
• 2 EEPROM 和SPI Flash的区别
• 3 电路设计实战
• 4 电路设计要点

1 简介

SPI FLASH(Serial Peripheral Interface)是串行外设接口的缩写，是一种高度、全双工、同步的通信总线。一般应用在MCU与外围设备之间通讯，广泛应用在FLASH，模数转换器等。

常用的内部通信接口：UART、IIC、SPI。

常用的外部通信接口：RS232、RS485、CAN

SPI flash 就是通过串行的接口进行操作的 flash 存储设备。一般板卡会配有一个 spi flash 存储芯片。因为 flash 具有断电数据不丢失的特性，而我们 FPGA 芯片掉电数据是会丢失的，所以我们就可将 FLASH作为 FPGA 芯片的上电配置器件（主要用于嵌入式设备的引导启动程序的存储如 Bootloader。），我们将上电程序固化在 FLASH 中，上电后 FPGA 芯片读取到 FLASH 中存储的程序进行运行，这样就能做到程序断电不丢失了。SPI FLASH 读写较慢，次数有限制，一般用于不经常更改的存储。

flash 按照内部存储结构不同，分为两种：nor flash 和 nand flash。这里 spi flash 属于 nor flash。

常用的生产厂家：winbond（华邦），Micron（镁光），numonyx（恒亿）、ISSI（芯成），兆易创新

单位转换:

1Bytes=8bits（

1 字节等于 8 位）

1KB=1024Bytes（1KB 等于 1024 字节）

1MB=1024KB

1GB=1024MB

注：另外，Byte 通常简写为 B(大写），而 bit 通常简写为 b（小写）；1B=8b。

bit 意为“位”或“比特”，是计算机运算的基础，属于二进制的范筹；

Byte 意为“字节”，是计算机文件大小的基本计算单位；

块、扇区、页的区别

以华邦的 W25Q128 为例，容量为 128Mbits，注意这里的单位是 bit，换算成字节(Byte)，也就是：128Mbits/8=16M=16*1024KB= 16384 KB = 16,777,216B，所以很容易计算出整个存储空间的地址范围：0x000000~0xFFFFFF

SPI Flash 和 EPROM 的很大的一个不同就是多了块、扇区、页的概念。

W25Q128 的整个存储空间被分成了 256 个块（Block），每个块包含 16 个扇区（Sector），每个扇区又包括 16 个页。所以，如果按照块来计算，W25Q128 包括 256 个块。

如果按照扇区来计算，W25Q128 包括 256*16=4096 个扇区。

如果按照页来计算的话，W25Q128 包括 4096*16=65536 个页。

每个块的大小是：16384KB/256 = 64KB

每个扇区的大小是：64KB/16 = 4KB

每个页的大小是：4KB/16 = 256B

但是实际上，我们在进行读写操作时，都是区分块和扇区，不区分页的。包括在官方的 Datasheet 中，并没有重点提及页的地址范围。

**SPI flash 的特点 **

• 高速（1.受限于最大时钟频率 2.受限于 CPU 处理 SPI 数据的能力；3 受限于PCB 走线）；

• 全双工（两个数据线可以同时收发）；

• 主从模式（既可当主机又可当从机工作）；

• 提供频率可编程时钟；

2 EEPROM 和SPI Flash的区别

• EPROM 通常采用是 IIC 串行总线，低速，单双工，通信速率一般是百 KHz。而SPI Flash 是采用的 SPI 总线，高速，全双工，通讯速率一般是百 MHz。SPI Flash属于 Flash ROM 闪存，相比于 EPROM，读写速度更快。

• EPROM 通常用于存储不频繁读取的数据，如配置信息等，而 SPI Flash 通常用来存储经常读取的数据，如字库文件等。

• EPROM 读写比较随意，想写那个地址写那个，想读哪个地址读哪个！而 SPI Flash 则比较规范，擦除的最小单位是扇区。向某个地址写入数据时，要先读取这个地址的数据是否为 0xFF，如果不是 0xFF，那么这个数据写入失败。所以通常的写操作是，在写某个地址之前，直接擦除这个地址所在的那个扇区，然后再写数据。当然，如果这个扇区的所有内容都是 0xFF，则无需擦除，可以直接写入。

• EPROM 通常容量比较小，大小为 KB 级的，如 AT24C02 是 2KB，而 SPI Flash容量比较大，大小为 MB 级的，如 W25Q16 是 16Mbit，也就是 2MB。

• EPROM 型号通常是 xx24 系列，而 SPI Flash 通常是 xx25 系列，所以从芯片型号我们也可以看出 ROM 类型。

• EPROM 数据保存时间大约是 100 年，而 SPI Flash 数据保存时间为 20 年。

• EPROM 的读写次数为 100 万次左右，SPI Flash 读写次数为 10 万次左右。

3 电路设计实战

电路实战1：

电路实战2：

4 电路设计要点

• 注意：根据需求选择对应的标注 SPI flash、Dual flash、Quad flash。具体项目具体看了，理论上在 CLK 一定的情况下, 线数越多访问速度也越快。

• 如果需要 CS 管脚跟踪 VCC 电压，防止上电或断电时，由于 VCC 电压不足导致写数据异常，建议 CS 管脚串 10k 电阻到 VCC，起到跟踪保护左右。

• 片选信号：是否要接上拉电阻或者下拉电阻，看具体规格书要求；(一般要加上拉电阻)

• 电源接滤波电容。

• 建议：IO0-IO3 加上 22 欧姆的电阻作为阻抗匹配；除了 SCK，其余都加上上拉电阻。

• 在设计一个具体的 SPI Flash 的接口电路时，要考虑是否需要支持其Dual/Quad IO 功能以提高读写速度。