SPI FLASH 读取模块[verilog]

需求分析

在这里实现一个一次读取4Bytes的flash控制器。
在用Nexys4 DDR 制作一台计算机[1] 硬件里提过，需要一个“硬盘”，用于读取只读数据。

原理分析

nexys4ddr 使用的spi flash芯片具体型号是S25FL128S芯片。
线路图如下

什么是spi协议

简单起见，仅介绍最基础的，详细的请参考wiki
spi协议是一种串行总线，即数据用一根线一位一位的传，这里需要用的的有sck，cs_n,si,so四根信号线
sck是时钟线，用来做信号的同步，频率在工作范围内随意
cs_n是片选信号，"_n" 的意思是低电平有效，故当cs_n信号被拉低的时候，这个芯片才开始工作
si是输入到主设备的信号线，flash芯片读取数据的时候需要靠它
so是输入到flash的信号线，flash芯片写入数据的时候需要靠它

什么是flash芯片

简单来说，它是一种有一堆可读可写的颗粒（EEPROM）和一个控制器组成的，这个控制器封装了许多指令来操作那些颗粒。于是要想使用flash芯片，最主要的是对flash控制器发出正确的指令。
flash 芯片的结构如下图

关于flash芯片的指令，每个厂商有些许不同，但由于有标准化，大多常用的指令都相同，可以参考每种芯片的文档。
S25FL128S芯片的文档

时序

flash芯片时序

由于仅仅需要读取数据，我们这里仅介绍用到的唯一一条指令：READ
根据S25FL128S的文档，我们可以看到读取指令的时序为

从图上看，我们要想读取数据，需要做的是
1.先将cs_n拉低，
2.再保持sck在工作范围内，查阅文档可知，READ指令最大工作频率是50MHz，故sck可选的频率在（0，50M]之间，由于Nexys4 DDR的板载晶振频率是100MHz，于是这里用50MHz会比较好分频，

3.然后通过so信号线一位一位的输入指令READ(03H)，读取地址（24位），
4.最后flash芯片就会通过si信号线一位一位的输出数据

wishbone总线读时序

作为一个外设需要连接到总线上，接口需要满足总线的要求。
这台计算机用的是Wishbone总线,它的时序比较简单，这里介绍下总线读操作的信号

简单来说工作的时候需要把STB_O和CYC_O同时拉高,地址输入到ADR_O中，再保持CLK_I的周期，之后总线就开始等待外设，当外设处理完成信号之后，就将ACK_I拉高，完成整个传输过程。
主机在接受完数据后将STB_O与CYC_O同时拉低，外设此时便知道整个访问结束，将ACK_I拉低。

设计

状态机设计

这部分主要参考了这篇文章
如图所示