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引言 隨著半導體工藝技術的發展，IC設計者已能將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上，即SoC芯片。對片上系統(SoC)數據記錄需要低功耗、大容量、可快速重復擦寫的存儲器。常用的介質主要有：動態存儲器（DRAM）、靜態存儲器（SRAM）和閃速存儲器（FLASH MEMORY）。DRAM容量大，但需要不斷刷新才能保持數據，會占用微處理器時間，同時增加了功耗；SRAM雖然不需要動態刷新，但價格太貴，并且斷電后跟DRAM一樣數據都無法保存。FLASH MEMORY是一種兼有紫外線擦除EPROM和電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)兩者優點的新型非易失存儲器。由于它可在線進行電可擦除和編程，芯片每區可獨立擦寫至少1000 000次以上，因而對于需周期性地修改被存儲的代碼和數據表的應用場合，以及作為一種高密度的、非易失的數據存儲介質FLASH是理想的器件選擇。在我們設計的系統中，處理器是Openrisc1 200，所用的FLASH是AMD與富士公司的Am29LV160D芯片。利用FPGA實現接口，由于Openrisc1200（OR1200）采用WISHBONE總線，所以本設計的接口具有可移植性。 Am29LV160D芯片特點 Am29LV160D是一種僅需采用3.0V電源進行讀寫的閃存。該器件提供了70ns、90ns、120ns讀取時間，無需高速微處理器插入等待狀態進行速度匹配。為了消除總線競爭，芯片引入了片選使能（CE#）,寫使能（WE#）和輸出使能（OE#）控制端口。芯片采用分塊結構，非常適用于要求高密度的代碼或數據存儲的低功耗系統。 ● 甚低功耗 工作在5MHz時, 電流典型值為： 睡眠模式下電流為200nA； 備用模式下電流為200nA； 讀數據時為9mA； 編程/擦除模式下電流為20mA。 ● 靈活的分塊結構 一個16KB，兩個8KB，一個32KB，和31個64KB塊（字節模式）； 一個8KB，兩個4 KB,一個16 KB，和31個32 KB塊（字模式）； 支持整個芯片擦除； 復雜的塊保護特性。 ● 具有內部嵌入算法 內部嵌入擦除算法自動預編程和擦除整個芯片或任意塊的組合； 內部嵌入算法自動將給定地址的數據寫入芯片及對其校驗。 ● 與JEDEC標準兼容 ● 具有硬件RESET復位與Ready/Busy擦寫查詢管腳 ● 具有擦除暫停與擦除繼續功能 圖1 WISHBONE總線簡介 WISHBONE總線規范是一種片上系統IP核互連體系結構。它定義了一種IP核之間公共的邏輯接口，減輕了系統組件集成的難度，提高了系統組件的可重用性、可靠性和可移植性，加快了產品市場化的速度。WISHBONE總線規范可用于軟核、固核和硬核，對開發工具和目標硬件沒有特殊要求，并且幾乎兼容所有的綜合工具，可以用多種硬件描述語言來實現。 靈活性是WISHBONE總線的另一個優點。由于 IP核種類多樣，其間并沒有一種統一的間接方式。為滿足不同系統的需要，WISHBONE總線提供了四種不同的IP核互連方式： 點到點（point-to-point），用于兩IP核直接互連； 數據流（data flow），用于多個串行IP核之間的數據并發傳輸； 共享總線（shared bus）（見圖1），多個IP核共享一條總線； 交叉開關（crossbar switch），同時連接多個主從部件，提高系統吞吐量。 FLASH接口的設計 圖2 由于OR1200采用的是WISHBONE共享總線，其地址線為32位，數據線也為32位。設計中采用將低位與FLASH相聯接,并將接口位度設計為16位。原理框圖如圖2所示。邏輯接口部分采用FPGA來實現。系統選用Xilinx公司最新推出的90nm工藝制造的現場可編程門陣列芯片Spartan-3來實現接口設計，利用它的可編程性特性帶來了電路設計的簡單化和調試的靈活性。 FLASH讀接口設計 該接口可實現單周期讀與塊讀功能，時序部分與WISHBONE兼容。由于采用的FLASH最大讀周期時間至少為90ns，故只有在總線時鐘工作在10MHz以下頻率時可以直接將ACK_O端口與STB_I端口相聯。當MASTER（指令CACHE）發出塊讀信號時，將發出一個LOCK_O＝VIH信號給總線仲裁器，要求總線能不間斷提供總線。其對SLAVE（FLASH接口部分）控制信號為： WE_I=VIL,CYC_I=VIH,STB_I=VIH，BYTE=VIH 當MASTER結束塊讀時發出STB_O= VIL信號即可。其輸出接口部分如圖3所示。該輸出接口模塊源代碼如下： 圖3 FLASH寫接口設計 因為FLASH寫命令需要多個時鐘周期時間，其中采用Unlock Bypass模式時為2個時鐘周期，采用正常寫模式需要4個時鐘周期，并且在對FLASH寫和擦寫時更是需要等待幾十微秒到幾秒鐘的時間，因此對接口SLAVE必須引入寫或擦寫完成狀態信號來控制總線數據的傳輸。為簡化設計采用RY/BY引腳來判斷。輸出端口原理圖與圖3類似，只需對部分端口進行修改即可。 為了能夠對塊保護的程序代碼進行升級，特別設計了一個12V電源電路來實現暫時塊寫保護解除功能，如圖4所示。利用Am29LV160D芯片提供的暫時塊寫保護解除模式——即通過對RESET＃引腳加VID電壓。在該模式下先前被保護的塊可以通過塊地址選中來進行編程和擦除。并且一旦VID移除所有先前保護的塊恢復到保護狀態。 圖4 圖4中RV控制信號處采用了R=5kΩ，C=100pF，以便使得VID電壓上升時間與下降時間≥500ns，從而滿足相應的時序要求。肖特基二極管的引入保證了系統RESET信號被鉗制在Vcc＋0.3V以內。總體上來說，該電源隔離電路的引入對整個系統的成本影響很小，而使系統可以在線編程被保護的FLASH存儲塊。 總結 本文介紹了AMD公司Am29LV160D芯片特點，并在此基礎上設計了基于WISHBONE總線的接口。該接口設計方法對其他相關SoC總線接口設計具有直接的參考意義。 |
