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作者：王烈洋 黃小虎 占連樣 珠海歐比特控制工程股份有限公司 摘要：隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 存儲(chǔ)器的種類日益繁多，每一種存儲(chǔ)器都有其獨(dú)有的操作時(shí)序，為了提高存儲(chǔ)器芯片的測試效率，一種多功能存儲(chǔ)器芯片的測試系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文提出了一種多功能存儲(chǔ)器芯片的測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對各種數(shù)據(jù)位寬的多種存儲(chǔ)器芯片（SRAM、MRAM、NOR FALSH、NAND FLASH、EEPROM等）進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)口電路設(shè)計(jì)（如何掛載到NIOSII的總線上），最終解決了不同數(shù)據(jù)位寬的多種存儲(chǔ)器的同平臺(tái)測試解決方案，并詳細(xì)地設(shè)計(jì)了各結(jié)口的硬件實(shí)現(xiàn)方法。 引言 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，存儲(chǔ)器類芯片的品種越來越多，其操作方式完全不一樣，因此要測試其中一類存儲(chǔ)器類芯片就會(huì)有一種專用的存儲(chǔ)器芯片測試儀。本文設(shè)計(jì)的多種存儲(chǔ)器芯片測試系統(tǒng)是能夠?qū)RAM、Nand FLASH、Nor FLASH、MRAM、EEPROM等多種存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行功能測試，而且每一類又可兼容8位、16位、32位、40位等不同寬度的數(shù)據(jù)總線，如果針對每一種產(chǎn)品都單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)測試平臺(tái)，其測試操作的復(fù)雜程度是可想而知的。為達(dá)到簡化測試步驟、減小測試的復(fù)雜度、提高測試效率、降低測試成本，特設(shè)計(jì)一種多功能的存儲(chǔ)器類芯片測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)下完成所有上述存儲(chǔ)器芯片的方便快捷地測試。 設(shè)計(jì)原理 此設(shè)計(jì)方案根據(jù)上述各種存儲(chǔ)器獨(dú)自的讀寫時(shí)序訪問特性，通過FPGA的靈活編程特性，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整NIOSII的外部總線時(shí)序，最終實(shí)現(xiàn)基于NIOSII的外部總線訪問各種存儲(chǔ)器讀寫時(shí)序的精確操作。如圖2-1。通過FPGA自定義一個(gè)可以掛載所有存儲(chǔ)器芯片的總線接口-ABUS，如表1。而且在同一個(gè)接口上能夠自動(dòng)識(shí)別各種接入的被測試存儲(chǔ)器芯片，它們通過類別輸入信號(hào)（CLAS）來區(qū)分,每一種存儲(chǔ)器芯片對應(yīng)一種獨(dú)特的操作時(shí)序。下面是幾種存儲(chǔ)器芯片的接口連接方式及信號(hào)描述。其它的存儲(chǔ)器芯片都可以用類似的接法掛載到ABUS總線上，最終完成測試。 
圖 2 1 NIOSII的總線掛載各類存儲(chǔ)器芯片連接示意圖 表1：ABUS接口信號(hào)說明表
40位NAND FLASH連接設(shè)計(jì) 如圖2-2所示，40位NAND FLASH與NIOSII 通過ABUS(FPGA)橋接,把外部總線的時(shí)序完全轉(zhuǎn)換成NAND FLASH的操作時(shí)序。40位NAND FLASH芯片品由五個(gè)獨(dú)立的8位NAND FLASH芯片拼接構(gòu)成。5個(gè)8位器件的外部IO口拼接成40位的外部IO口，而各自的控制線（NCLE，NALE，NRE，NWE）連接在一起構(gòu)成一組控制線（NCLE，NALE，NRE，NWE），片選相互獨(dú)立引出成NCS0-NCS9,忙信號(hào)獨(dú)立引出為R/B0-R/B9。 如表2，詳述了40位NAND FLASH與ABUS的連接關(guān)系。
圖 2 2 ABUS與40位NAND FLASH接口圖 表2，40位NAND FLASH接口連接表
8位NAND FLASH與NIOSII連接 8位NAND FLASH是通過多片8位NAND FLSAH芯片疊加而成，每一個(gè)芯片的外部總線和控制線（NALE，CLE，NEW，NRE）進(jìn)行復(fù)連。分別引出每一個(gè)芯片的片選和忙信號(hào)NCS0-NCS9、NRB0-NRB9。可以利用FPGA的邏輯來修改NIOSII的總線讀寫時(shí)序，來準(zhǔn)確的操作大容量8位NAND FLASH存儲(chǔ)器模塊。實(shí)現(xiàn)NIOSII到ABUS，ABUS到8位NAND FLASH的連接。如圖2-3所示。 表3，詳述了8位NAND FLASH與ABUS的連接關(guān)系。
圖 2 3 ABUS與8位大容量NAND FALSH連接 表3，8位NAND FLASH接口連接表
40位SRAM與NIOSII連接 40位SRM模塊與NIOSII通過ABUS連接，實(shí)現(xiàn)正確的時(shí)序讀寫操作。測試時(shí)，一次只測試8位，分5次完成所有空間的測試。如圖2-4。表4是詳細(xì)的信號(hào)連接說明。
圖 2 4 ABUS與40位SRAM連接 表4，40位SRAM接口連接表
8位SRAM與NIOSII連接 8位SRM模塊與NIOSII通過ABUS（FPGA）連接，實(shí)現(xiàn)正確的時(shí)序讀寫操作。如圖2-5。表5是信號(hào)連接說明。
圖 2 5 ABUS與8位SRAM連接 表5，8位SRAM接口連接表
硬件電路設(shè)計(jì) 在測試NAND FLASH時(shí)，測試時(shí)間長達(dá)十個(gè)小時(shí)不等。在此為提高測試效率，增加測試速度，本設(shè)計(jì)采用兩套完全一樣且獨(dú)立的硬件系統(tǒng)構(gòu)成。可同時(shí)最多測試2片NAND FLASH器件。每一個(gè)硬件系統(tǒng)由一個(gè)微處理器（NIOSII）加一個(gè)大容量FPGA及一個(gè)存儲(chǔ)器測試擴(kuò)展接口（即ABUS接口）三大模塊構(gòu)成。如圖3-1。RS232通信接口實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，完成人機(jī)交互操作。電源系統(tǒng)產(chǎn)生各種合適的電壓，滿足各芯片的電源供給。
圖 3 1 硬件方塊圖 處理器模塊電路 處理器模塊電路由FPGA內(nèi)嵌的NIOSII軟核（CPU）、兩路RS232通信、一個(gè)FLASH芯和一個(gè)SRAM芯片組成。CPU是整個(gè)系統(tǒng)的核心管理者，向下負(fù)責(zé)各種存儲(chǔ)器芯片的讀寫測試，向上負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通信由其中一個(gè)RS232電路完成，另一個(gè)RS232電路用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試和軟件固化。FLASH芯片用來存儲(chǔ)程序代碼及重要的數(shù)據(jù)。而SRAM芯片在CPU上電工作以后，通過CPU加載FLASH的程序，最終給CPU的程序代碼提供快速的運(yùn)行環(huán)境。 基于FPGA的ABUS接口模塊 ABUS接口模塊由FPGA芯片、配置FLASH及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)EEPROM芯片構(gòu)成。ABUS要實(shí)現(xiàn)NIOSII的外部總線與多種存儲(chǔ)器模塊的接口對接，每一種特定的存儲(chǔ)器有一個(gè)特定的時(shí)序邏輯，而每一種時(shí)序邏輯可以通過FPGA的硬件代碼（IP核）來實(shí)現(xiàn)，具體的每一個(gè)存儲(chǔ)器模塊在測試時(shí)會(huì)給ABUS接口一個(gè)固定的類別信號(hào)CLAS，ABUS接口根據(jù)這個(gè)類別信號(hào)識(shí)別出各種SIP存儲(chǔ)器模塊，最終切換出正確的對應(yīng)特定產(chǎn)品的時(shí)序邏輯，來完成NIOSII通過外部總線來對存儲(chǔ)器芯片的讀寫測試。而配置FLASH實(shí)現(xiàn)FPGA在上電時(shí)硬件程序的加載工作及掉電數(shù)據(jù)保護(hù)。EEPROM用來存儲(chǔ)一些重要的系統(tǒng)參數(shù)。 SIP存儲(chǔ)器測試擴(kuò)展接口 存儲(chǔ)器測試擴(kuò)展接口在硬件上由兩排雙排座構(gòu)成。一共是120個(gè)管腳。ABUS接口與測試擴(kuò)展接口相連接:40個(gè)管腳與雙向的數(shù)據(jù)或I/O線相連、8個(gè)管腳與8根信號(hào)輸入控制線相連、16個(gè)管腳與16根片選信號(hào)輸出線相連、5個(gè)管腳與5根類別輸入信號(hào)相連、16個(gè)管腳與16根狀態(tài)輸入信號(hào)線相連、27個(gè)管腳與27根地址線相連。其它的管腳可分配成電源和地線，以及信號(hào)指示等。 ABUS接口IP核的設(shè)計(jì) 每一種SIP存儲(chǔ)器對應(yīng)于一個(gè)特定的ABUS接口IP核，以實(shí)現(xiàn)正確的時(shí)序讀寫操作。這個(gè)IP核有一個(gè)統(tǒng)一的接口約定，都是由兩個(gè)固定的接口構(gòu)成，其中與NIOSII連接的是外部總線接口，其操作按照NIOSII的外部總線時(shí)序規(guī)范來實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)接口就是上文提及的ABUS接口，在相應(yīng)的CLAS信號(hào)有效的情況下，它負(fù)責(zé)把NIOSII的外部總線讀寫時(shí)序轉(zhuǎn)換成對應(yīng)存儲(chǔ)器芯片的時(shí)序。IP核的工作就是完成這些讀寫操作的轉(zhuǎn)換。表5是各種SIP存儲(chǔ)器對應(yīng)的類別信（CLAS）號(hào)輸入值，在設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)接板時(shí)要按這個(gè)值設(shè)定，ABUS才會(huì)切換出正確的讀寫時(shí)序。 七位類別示別信號(hào)含義：T_XX_WW_CC,T為1表示高低測試測試，為0表示常溫下的功能測試。XX表示存儲(chǔ)器種類，WW表示總線寬度，CC表示容量種類。 表5 各種SIP存儲(chǔ)器對應(yīng)的CLAS信號(hào)值
8位SRAM/MRAM/NOR FLASH接口IP核設(shè)計(jì) 如圖4-1，SRAM、MRAM和NOR FLASH的接口操作基本一致，NIOSII的總線時(shí)序完全滿足。故在FPGA內(nèi)部只要簡單地把相應(yīng)的控制線和數(shù)據(jù)線相連就可以了，唯獨(dú)只要設(shè)計(jì)一個(gè)片選寄存器，用來區(qū)分存儲(chǔ)器芯片的16個(gè)片選。每一個(gè)片選可以訪問的空間為128MByte。片選寄存器的地址為（基址+0x0FFFFFFC）,基地址設(shè)在NIOSII外部總線的最高地址位。
圖 4 1 8位SRAM/MRAM/NOR FLASH接口IP 16位SRAM/MRAM/NOR FLASH接口IP核設(shè)計(jì) 如圖4-2，SRAM、MRAM和NOR FLASH的接口操作基本一致，NIOSII的總線時(shí)序完全滿足。故在FPGA內(nèi)部只要簡單的把相應(yīng)的控制線和數(shù)據(jù)線相連就可以了，唯獨(dú)只要設(shè)計(jì)一個(gè)片選寄存器，用來區(qū)分SIP的16個(gè)片選。每一個(gè)片選可以訪問的空間為128MByte。片選寄存器的地址為（基址+0x0FFFFFFC）,基地址設(shè)在NIOSII 外部總線的最高地址位。
圖 4 2 16位SRAM/MRAM/NOR FLASH接口IP 32位SRAM/MRAM/NOR FLASH接口IP核設(shè)計(jì) 如圖4-3，SRAM、MRAM和NOR FLASH的接口操作基本一致，NIOSII的總線時(shí)序完全滿足。故在FPGA內(nèi)部只要簡單的把相應(yīng)的控制線和數(shù)據(jù)線相連就可以了，唯獨(dú)只要設(shè)計(jì)一個(gè)片選寄存器，用來區(qū)分SIP的16個(gè)片選。每一個(gè)片選可以訪問的空間為128MByte。片選寄存器的地址為（基址+0x0FFFFFFC）,基地睛設(shè)在NIOSII 外部總線的最高地址位。
圖 4 3 32位SRAM/MRAM/NOR FLASH接口IP 40位SRAM/MRAM/NOR FLASH接口IP核設(shè)計(jì) 如圖4-4，40位的數(shù)據(jù)寬度有點(diǎn)特殊。在此我們把40位的數(shù)據(jù)分成5個(gè)8位的區(qū)域，用8位寬度的總線去分別訪問每一個(gè)區(qū)域。IP核中的位選寄存器就是用來完成切換8位數(shù)據(jù)總線到40位總線的5個(gè)區(qū)域的其中一個(gè)。片選寄存器的地址為（基址+0x0FFFFFFC）,位選寄存器的地址為（基址+0x0FFFFFF8）。最大可以測試128M×40位×16片的存儲(chǔ)器SRAM/MRAM/NOR FLASH模塊。
圖 4 4 40位SRAM/MRAM/NOR FLASH接口IP 8位NAND FLASH的ABUS接口IP設(shè)計(jì) 如圖4-5，通過寫片選寄存器來選中模塊的16個(gè)片選的其中一個(gè)。我們約定其地址為（基址+0x0FFFFFFC）。讀狀態(tài)寄存器返回的是16個(gè)NAND FLASH芯片的忙信號(hào)，其地址為（基址+0x0FFFFFF8）。向地址（基址+0x00）寫入數(shù)據(jù)就是對NAND FLASH數(shù)據(jù)寄存器的寫操作。向地址（基址+0x00）單元讀數(shù)據(jù)就是對NAND FLASH數(shù)據(jù)寄存器的讀操作。向地址（基址+0x01）寫入數(shù)據(jù)就是對NAND FLASH命令寄存器的寫操作。向地址（基址+0x02）寫入數(shù)據(jù)就是對NAND FLASH地址寄存器的寫操作。
圖 4 5 8位NAND FLASH的ABUS接口IP核設(shè)計(jì)圖 16位NAND FLASH的ABUS接口IP設(shè)計(jì) 16位的NAND FLASH存儲(chǔ)器芯片可以有多種組合方式,可以用多個(gè)16位的NAND FLASH組合,也可以用多個(gè)8位的NAND FLASH組合。這里我們假設(shè)16位的SIP NAND FLASH產(chǎn)品是由多個(gè)16位的NAND FLASH組合而成，下面的IP核是根據(jù)它的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)的。 如圖4-6，通過寫片選寄存器來選中模塊的16個(gè)片選的其中一個(gè)。我們約定其地址為（基址+0x0FFFFFFC）。讀狀態(tài)寄存器返回的是16個(gè)NAND FLASH芯片的忙信號(hào)，其地址為（基址+0x0FFFFFF8）。向地址（基址+0x00）寫入數(shù)據(jù)就是對NAND FLASH數(shù)據(jù)寄存器的寫操作。向地址（基址+0x00）單元讀數(shù)據(jù)就是對NAND FLASH數(shù)據(jù)寄存器的讀操作。向地址（基址+0x01）寫入數(shù)據(jù)就是對NAND FLASH命令寄存器的寫操作。向地址（基址+0x02）寫入數(shù)據(jù)就是對NAND FLASH地址寄存器的寫操作。
圖 4 6 16位NAND FLASH的ABUS接口IP核設(shè)計(jì)圖 驗(yàn)證與總結(jié) 將寫好的FPGA程序和調(diào)試的C代碼寫入FLASH后，掉電重配置FPGA，串口的輸出能正常識(shí)別所有設(shè)置好的存儲(chǔ)器芯片，并能夠進(jìn)行準(zhǔn)確地讀寫功能測試。達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。 本文介紹了一種低成本、簡單、靈活的多種存儲(chǔ)器芯片測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并采用FPGA、FLASH、SDRAM、RS232電路等實(shí)現(xiàn)。采用這種方案，用戶可根據(jù)市場需求，靈活的增加測試系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)更多的存儲(chǔ)器芯片測試。 參考文獻(xiàn)： 【1】K9F4G08U0B 512M x 8 Bit / 1G x 8 Bit NAND Flash Memory datasheet,May 30,2008 【2】Avalon Interface Specifications,Version 1.3,August 2010 【3】R1RP0416D Series 4M High Speed SRAM datasheet,Rev. 1.00, Mar.12.2004 【4】HN58V1001 Series 1M EEPROM datasheet,Rev.7.0,Oct.31.1997 【5】MR0A08B 128K x 8 MRAM Memory datasheet,Rev.2,6/2009 【6】S29JL064H 64 Megabit (8 M x 8-Bit/4 M x 16-Bit) datasheet,Revision A,March 26,2004 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
