基于ZYNQ PS-SPI的Flash驱动开发

        本文使用PS-SPI实现Flash读写，PS-SPI的基础资料参考Xilinx UG1085的文档说明，其基础使用方法是，配置SPI模式，控制TXFIFO/RXFIFO，ZYNQ的IP自动完成发送TXFIFO数据，接收数据到RXFIFO，FIFO深度为128Byte。本文介绍了使用PS-SPI的Flash开发。

软硬件介绍：

• 硬件平台:Xilinx ZYNQ
• Flash芯片:华邦W25Q80
• 软件平台:Vitis Standalone

芯片信息/配置:

• 容量:8Mbit
• SPI时钟:25MHZ
• IO电平:3.3V
• SPI FIFO深度:128Byte
• SPI 标准模式

 方案:

        在ZYNQ平台上使用PS的SPI进行读写Flash芯片，约束EMIO芯片管脚，在Vitis上读写SPI总线。

 测试项目:

• 擦除、读、写功能
• 芯片容量
• 擦除、读、写速度

硬件设计 

• 使能PS端的SPI(SPI0)模块，FIFO位宽8Bit
• 约束CS/DI/DO/CLK管脚
• 生成XSA，提供给软件

软件设计

• 使用PS SPI功能读写寄存器
• 封装读ID、写使能、读取状态、擦除、读、写接口（C语言）。

 调试和测试流程

1. 读取芯片ID，验证SPI通路
2. 验证全片擦除、页写入、读功能
3. 页写入、读功能, 验证数据读写正确性
4. 容量测试
5. 测试读写时间 

 调试手段

• 发送数据：写PS-SPI对应的写缓存地址，写入数据到“写FIFO缓冲区”，等待发送完成
• 读取数据：读PS-SPI对应的读缓存地址，读取“读FIFO缓冲区”数据，等待读取完成
• 信号分析：测试过程中使用逻辑分析仪抓取CS/DI/DO/CLK信号。

#define SPIPS_RECV_BYTE(BaseAddress) \
		Xil_In8((BaseAddress) + XSPIPS_RXD_OFFSET)

#define SPIPS_SEND_BYTE(BaseAddress, Data) \
		Xil_Out8((BaseAddress) + XSPIPS_TXD_OFFSET, (Data))

void spi_read(int byte_count)
{
        int count;
        u32 status_reg;

        status_reg = XSpiPs_ReadReg(g_spi0_handle.Config.BaseAddress,
                                        XSPIPS_SR_OFFSET);

        /*
         * Polling the Rx Buffer for Data
         */
        do{
                status_reg = XSpiPs_ReadReg(g_spi0_handle.Config.BaseAddress,
                                        XSPIPS_SR_OFFSET);
        }while(!(status_reg & XSPIPS_IXR_RXNEMPTY_MASK));


        /*
         * Reading the Rx Buffer
         */

        for(count = 0; count < byte_count; count++){
                g_read_buffer[count] = SPIPS_RECV_BYTE(
                                g_spi0_handle.Config.BaseAddress);
        }

}

void spi_write(u8 *send_buffer, int byte_count)
{
        u32 status_reg;
        int trans_count = 0;

        status_reg = XSpiPs_ReadReg(g_spi0_handle.Config.BaseAddress,
                                XSPIPS_SR_OFFSET);

        while ((byte_count > 0) &&
                (trans_count < XSPIPS_FIFO_DEPTH)) {
                SPIPS_SEND_BYTE(g_spi0_handle.Config.BaseAddress,
                                *send_buffer);
                send_buffer++;
                ++trans_count;
                byte_count--;
        }

        /*
         * Wait for the transfer to finish by polling Tx fifo status.
         */
        do {
                status_reg = XSpiPs_ReadReg(
                                g_spi0_handle.Config.BaseAddress,
                                        XSPIPS_SR_OFFSET);
        } while ((status_reg & XSPIPS_IXR_TXOW_MASK) == 0);

}

代码：SPI读写接口 

图：逻辑分析仪

 1.读取芯片ID，验证SPI通路

• 写入"唤醒寄存器0xAB",后面再发送3个字节（数据0），共发送4个字节;再发送一个字节（为了提供时钟），读取FIFO数据5字节。

char release_powerdown_and_read_id()
{
	memset(g_write_buffer, 0x00, sizeof(g_write_buffer));
    g_write_buffer[0] = 0xAB;
    //CS = 1
    set_csn();
    usleep(10);
    //CS = 0
    set_cs0();
    spi_write(g_write_buffer,5);
    set_csn();
    spi_read(5);
    return g_read_buffer[4];
}

代码：读ID 

注意的是，SPI只要有时钟，“读FIFO缓冲区”就会写入数据（MISO）。主机发送5个字节，接着读取5个字节，丢弃前4个数据，第5个就是读到的ID。  
0xFF 0xFF 0xFF 0xFF 0x13

小结：读到的ID是0x13，和datasheet一致。 

2.验证全片擦除

执行操作前，先配置写使能能为1，读取状态寄存器
全片擦除,写入"擦除全片寄存器0xC7"
等待BUSY信号为0时结束,判断信号间隔为1ms(参考官方驱动)
注意的是写完后，写时能标记为会置0

int wait_busy(int max_count)
{
	int r,busy,busy_cnt = 0x00;
	r = 0;
	do {
		busy = is_busy();
		if(busy == 1)
			usleep(1000);
		busy_cnt += 1;
		if (max_count > 0)
		{
			if (busy == 0)
			{
				r = 0;
				break;
			}
			if (busy_cnt > max_count)
			{
				r = -1;
				break;
			}
		}
	} while(busy == 1);
	return r;
}

void erase_entire()
{
    set_write_enable();
	g_write_buffer[0] = 0xC7;
	set_csn();
	usleep(10);
	set_cs0();
	spi_write(g_write_buffer,1);
	set_csn();
	spi_read(1);
	wait_busy(1000);
	return ;
}

代码：擦除全片

 ----------------------------------------                                        
...erase entire chip...                                                         
  <erase> entire consume time:831 ms     
----------------------------------------                                

       
小结：全片擦除用了0.8S,比手册提供的2S典型值小。 

 3.页写入、读功能, 验证数据读写正确性 

页读取

        写入"读页数据寄存器0x03"，后面跟一个24位地址，按照手册要求先发送高位地址，即依次发送addr[23:16]，addr[15:8]，addr[7:0]。主机还要继续写入提供时钟，写入一个页的数据(0)。读取“读FIFO缓冲区”数据，读取一个页的数据量，得到读取内容。

void page_read(int address, unsigned char * recv, int size)
{
	int i;
	set_csn();
	usleep(10);
	set_cs0();
	g_write_buffer[0] = 0x03;
	g_write_buffer[1] = address >> 16;
	g_write_buffer[2] = address >> 8;
	g_write_buffer[3] = address >> 0;
	spi_write(g_write_buffer,4);
	spi_read(4);
	g_write_buffer[0] = 0;

	memset(g_write_buffer, 0x00, sizeof(g_write_buffer));
	if (size > 128)
	{
		spi_write(g_write_buffer,128);
		spi_read(128);
		memcpy(recv, g_read_buffer, 128);
		spi_write(g_write_buffer + 128,size - 128);
		spi_read(size - 128);
		memcpy(recv + 128, g_read_buffer, size - 128);
	}
	else
	{
		spi_write(g_write_buffer, size);
		spi_read(size);
		memcpy(recv, g_read_buffer, size);
	}

	set_csn();
	return;
}

代码：页读取

 页写入

         写入"写页数据寄存器0x02"，后面跟一个24位地址，按照手册要求先发送高位地址，即依次发送addr[23:16]，addr[15:8]，addr[7:0]。主机继续写入一个页的数据,页数据Pattern是一个递增数据。

//Pattern 
u8 data[] = {0x00,0x01,0x02....0x0FF};

读取“读FIFO缓冲区”数据，排空无用“读缓冲数据”。

void page_write(int address, unsigned char * data, int size)
{
	//int i;
	set_write_enable();
	set_csn();
	usleep(10);
	set_cs0();
	g_write_buffer[0] = 0x02;
	g_write_buffer[1] = address >> 16;
	g_write_buffer[2] = address >> 8;
	g_write_buffer[3] = address >> 0;
	spi_write(g_write_buffer,4);
	spi_read(4);

	if (size > 128)
	{
		spi_write(data,128);
		spi_read(128);

		spi_write(data + 128,size - 128);
		spi_read(size - 128);
	}
	else
	{
		spi_write(data,size);
		spi_read(size);
	}

	wait_busy(1000);
	set_csn();
	return;
}

 代码：页写入 

验证

• 执行“擦除”操作
• 执行“页写入”操作
• 执行“页读取”操作
• 打印读取数据，比较写入数据和读取数据内容，使用memcmp进行比较。

void page_rw_test()
{
    char send_data[PAGE_SIZE] = {...};//自行填充
    char recv_data[PAGE_SIZE];
    erase_entire();
    page_write(0x00, send_data, PAGE_SIZE);
    page_read(0x00,  recv_data, PAGE_SIZE);
    r = memcmp(send_data, recv_data, PAGE_SIZE);
    return r;
}

代码：页读写验证 

小结:读写功能正常，数据比较一致。

4.容量测试 

方法:每4个字节当作一个单元，每个单元数据递增1。写入再读出作比较。
芯片共有16x16x16个4K个页，往4K个页写入递增数据(0,262143)。打印部分页内容，对比所有写入数据和读取数据，使用memcmp进行比较。

表：地址和容量地址

    
小结:打印内容符合递增预期，数据比较一致。 

 5.测试读写时间

容量测试加入时间打印，分别记录擦除时间、写入时间和读取时间。

时间计数方式，采用读取CPU计数器计数，转换成时间。

write_data/read_data是page_write/page_read的封装，可以写入/读取任意数据。

int entire_volume_test(const int value_start, int step)
{
	int blkn, r, value, i,last_value;
	int escape;
	XTime start,end;
	blkn = BLOCK_NUMBER;
	printf("[ entire volume test ]\r\n");
	printf("[information]:\r\n");
	printf("----------------------------------------\r\n");
	printf("      Capicity( Bit ):%d\r\n", blkn * BLOCK_SIZE * 8);
	printf("      Capicity(1Byte):%d\r\n", blkn * BLOCK_SIZE);
	printf("      Capicity(4Byte):%d   [*]\r\n", blkn * BLOCK_SIZE/4);
	printf("      SPI CLK        :%d MHZ\r\n", 25);
	printf("----------------------------------------\r\n");
	printf("[test parttern] value start:%d,step:%d\n", value_start, step);
	printf("[test parttern] value range:(%d , %d)\n", value_start, step * (blkn * BLOCK_SIZE/4 - 1));
	printf("----------------------------------------\r\n");
	printf("...erase entire chip...\r\n");
	start = get_sys_count();
	erase_entire();
	end = get_sys_count();
	escape =  get_useconds(start, end);
	printf("<erase> entire consume time:%02d ms \r\n", escape/1000);
	usleep(200000);
	last_value = step * (blkn * BLOCK_SIZE/4 - 1);

	printf("    fill data\r\n");
	value = value_start;
	for (i = 0; i < blkn * BLOCK_SIZE/4; i++)
	{
		g_data[i * 4 + 3 ] = (value >> 24) & 0xFF;
		g_data[i * 4 + 2 ] = (value >> 16) & 0xFF;
		g_data[i * 4 + 1 ] = (value >>  8) & 0xFF;
		g_data[i * 4 + 0 ] = (value >>  0) & 0xFF;
		value += step;
	}
	printf("    write data sequence\r\n");
	start = get_sys_count();
	write_data(0, g_data,        blkn * BLOCK_SIZE);
	end = get_sys_count();
	escape =  get_useconds(start, end);
	printf("<write> data consume time:%02d ms \r\n", escape/1000);

	printf("    reading.....\r\n");
	start = get_sys_count();
	read_data (0, g_recv_buffer,blkn * BLOCK_SIZE);
	end = get_sys_count();
	escape =  get_useconds(start, end);
	printf("<read> consume time:%02d ms \r\n", escape/1000);

	printf("    dump last 2 page \r\n");
	printf("value will range:(%08d , %08d)\r\n", 1 + last_value - 2 * PAGE_SIZE/ 4, last_value - 1 * PAGE_SIZE/ 4);
	dec_print(g_recv_buffer + (blkn * BLOCK_SIZE - 2 * PAGE_SIZE) , PAGE_SIZE/4);

	printf("value will range:(%08d , %08d)\r\n", 1 + last_value - 1 * PAGE_SIZE/ 4, last_value - 0 * PAGE_SIZE/ 4);
	dec_print(g_recv_buffer + (blkn * BLOCK_SIZE - 1 * PAGE_SIZE) , PAGE_SIZE/4);

	printf("compare <write data> and <read data> values, compare size:%d Bytes\n", blkn * BLOCK_SIZE);
	printf("----------------------------------------\r\n");
	if (memcmp(g_data, g_recv_buffer, blkn * BLOCK_SIZE) == 0)
	{
		printf("  [*] <pass> volume test !!!\r\n");
		printf("----------------------------------------\r\n");
		return 0;
	}
	printf("[*] !!<fail> volume test !!!\r\n");
	printf("----------------------------------------\r\n");
	return -1;
}

代码：容量测试

    <write> page data consume time:1346 us 
    <read> page data consume time:275 us 

    ...erase entire chip...                                                         
    <erase> entire consume time:831 ms                                              
    fill data                                                                   
    write data sequence                                                         
    <write> data consume time:5509 ms                                               
    reading.....                                                                
    <read> consume time:1127 ms  

    ----------------------------------------
          [*] <pass> volume test !!!
    ----------------------------------------
记录测试结果到下表

表：测试结果

总结:擦除速度比datasheet参考值快，其他均正常。  

其他相关

Flash读写特性

        Flash的特性是，写数据只能将1写为0，0不能写为1。擦除数据是将所有数据都写为1。因此如果想在已经数据的flash上写入新的数据，则必须先擦除。

Flash相关知识学习记录（以W25Q128为例）

芯片地址相关

        以WQ25Q80为例，一个地址24位，由块地址、扇地址、页地址、页内偏移组成。

#define ADDRESS(block, sector, page, offset) ((block) << 16 | (sector) << 12 | (page) << 8 | (offset))

代码：使用C语言表示芯片地址 

表：WQ25Q80地址

比如一个地址0x04E3AA，表示块地址0x04，扇区地址0xE，页地址0x03,页内偏移0xAA。

关于CS使用

     使用芯片时候需要把CS引脚拉低，在命令写完成后需要把CS引脚拉高。手册里都会有"The instruction is completed by driving /CS high"的说明，这也成为Flash芯片操作的通用操作。

关于PS-SPI软件配置

    可以配置CS控制模式、时钟频率，时钟频率通过SPI主频分频得到，分频系数可配置。

int spi_init() {
        unsigned int config_value;
        int status;
        char spi_dev_id = SPI_DEVICE_ID;
        XSpiPs_Config *spi_config;


        /*
         * Initialize the SPI device.
         */

        spi_config = XSpiPs_LookupConfig(spi_dev_id);
        if (NULL == spi_config) {
                return XST_FAILURE;
        }


        status = XSpiPs_CfgInitialize(&g_spi_handle, spi_config, spi_config->BaseAddress);
        if (status != XST_SUCCESS) {
                return XST_FAILURE;
        }


        /*
         * Perform a self-test to check hardware build.
         */

        status = XSpiPs_SelfTest(&g_spi_handle);
        if (status != XST_SUCCESS) {
                return XST_FAILURE;
        }

        XSpiPs_ResetHw(spi_config->BaseAddress);

        printf("%s self test succ\r\n", __func__);

        status = XSpiPs_SetOptions(&g_spi_handle, XSPIPS_MASTER_OPTION | XSPIPS_FORCE_SSELECT_OPTION);
        //status = XSpiPs_SetOptions(&g_spi_handle, XSPIPS_MASTER_OPTION);
        if (status != XST_SUCCESS) {
                printf("%s XSpiPs_SetOptions fail\n", __func__);
                return XST_FAILURE;

        }
        /*
         * PS SPI CLK DOMAIN 200MHZ
         * */
        status = XSpiPs_SetClkPrescaler(&g_spi_handle, XSPIPS_CLK_PRESCALE_8);
        if (status != XST_SUCCESS) {
                printf("%s XSpiPs_SetClkPrescaler fail\n", __func__);
                return XST_FAILURE;
        }

        XSpiPs_Enable(&g_spi_handle);
        printf("spi <%d> config finish\r\n", spi_dev_id);

        //config_value =         
        XSpiPs_ReadReg(g_spi_handle.Config.BaseAddress,XSPIPS_CR_OFFSET);
        //printf("config_value :0x%08X\n", config_value);

        return XST_SUCCESS;

}

 关于发送间隔设置

我在测试多路SPI的时候，发现同型号芯片读写时间差别大，测试时钟SCLK，表现上间隔不一致。查阅寄存器表后发现，“发送间隔”配置不一致。

“发送间隔”修改成一致后，测试读写时间一致。

图：SPI控制器寄存器列表文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-842644.html

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