基于WISHBONE總線的FLASH閃存接口設(shè)計(jì)

引言
---隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計(jì)者已能將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)控制接口)集成在單一芯片上，即SoC芯片。對(duì)片上系統(tǒng)(SoC)數(shù)據(jù)記錄需要低功耗、大容量、可快速重復(fù)擦寫的存儲(chǔ)器。常用的介質(zhì)主要有：動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）、靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）和閃速存儲(chǔ)器（FLASH MEMORY）。DRAM容量大，但需要不斷刷新才能保持?jǐn)?shù)據(jù)，會(huì)占用微處理器時(shí)間，同時(shí)增加了功耗；SRAM雖然不需要?jiǎng)討B(tài)刷新，但價(jià)格太貴，并且斷電后跟DRAM一樣數(shù)據(jù)都無(wú)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(chǔ)器(EEPROM)兩者優(yōu)點(diǎn)的新型非易失存儲(chǔ)器。由于它可在線進(jìn)行電可擦除和編程，芯片每區(qū)可獨(dú)立擦寫至少1000 000次以上，因而對(duì)于需周期性地修改被存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)表的應(yīng)用場(chǎng)合，以及作為一種高密度的、非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)FLASH是理想的器件選擇。在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，處理器是Openrisc1200，所用的FLASH是AMD與富士公司的Am29LV160D芯片。利用FPGA實(shí)現(xiàn)接口，由于Openrisc1200（OR1200）采用WISHBONE總線，所以本設(shè)計(jì)的接口具有可移植性。

Am29LV160D芯片特點(diǎn)
---Am29LV160D是一種僅需采用3.0V電源進(jìn)行讀寫的閃存。該器件提供了70ns、90ns、120ns讀取時(shí)間，無(wú)需高速微處理器插入等待狀態(tài)進(jìn)行速度匹配。為了消除總線競(jìng)爭(zhēng)，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(jié)構(gòu)，非常適用于要求高密度的代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的低功耗系統(tǒng)。
---● 甚低功耗
---工作在5MHz時(shí), 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(shù)據(jù)時(shí)為9mA；
---編程/擦除模式下電流為20mA。
---● 靈活的分塊結(jié)構(gòu)
---一個(gè)16KB，兩個(gè)8KB，一個(gè)32KB，和31個(gè)64KB塊（字節(jié)模式）；
---一個(gè)8KB，兩個(gè)4 KB,一個(gè)16 KB，和31個(gè)32 KB塊（字模式）；
---支持整個(gè)芯片擦除；
---復(fù)雜的塊保護(hù)特性。
---● 具有內(nèi)部嵌入算法
---內(nèi)部嵌入擦除算法自動(dòng)預(yù)編程和擦除整個(gè)芯片或任意塊的組合；
---內(nèi)部嵌入算法自動(dòng)將給定地址的數(shù)據(jù)寫入芯片及對(duì)其校驗(yàn)。
---● 與JEDEC標(biāo)準(zhǔn)兼容
---● 具有硬件RESET復(fù)位與Ready/Busy擦寫查詢管腳
---● 具有擦除暫停與擦除繼續(xù)功能

WISHBONE總線簡(jiǎn)介
---WISHBONE總線規(guī)范是一種片上系統(tǒng)IP核互連體系結(jié)構(gòu)。它定義了一種IP核之間公共的邏輯接口，減輕了系統(tǒng)組件集成的難度，提高了系統(tǒng)組件的可重用性、可靠性和可移植性，加快了產(chǎn)品市場(chǎng)化的速度。WISHBONE總線規(guī)范可用于軟核、固核和硬核，對(duì)開發(fā)工具和目標(biāo)硬件沒(méi)有特殊要求，并且?guī)缀跫嫒菟械木C合工具，可以用多種硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。
---靈活性是WISHBONE總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于IP核種類多樣，其間并沒(méi)有一種統(tǒng)一的間接方式。為滿足不同系統(tǒng)的需要，WISHBONE總線提供了四種不同的IP核互連方式：
---點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point），用于兩IP核直接互連；
---數(shù)據(jù)流（data flow），用于多個(gè)串行IP核之間的數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸；
---共享總線（shared bus）（見(jiàn)圖1），多個(gè)IP核共享一條總線；
---交叉開關(guān)（crossbar switch），同時(shí)連接多個(gè)主從部件，提高系統(tǒng)吞吐量。

FLASH接口的設(shè)計(jì)
---由于OR1200采用的是WISHBONE共享總線，其地址線為32位，數(shù)據(jù)線也為32位。設(shè)計(jì)中采用將低位與FLASH相聯(lián)接,并將接口位度設(shè)計(jì)為16位。原理框圖如圖2所示。邏輯接口部分采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)選用Xilinx公司最新推出的90nm工藝制造的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片Spartan-3來(lái)實(shí)現(xiàn)接口設(shè)計(jì)，利用它的可編程性特性帶來(lái)了電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化和調(diào)試的靈活性。
---FLASH讀接口設(shè)計(jì)
---該接口可實(shí)現(xiàn)單周期讀與塊讀功能，時(shí)序部分與WISHBONE兼容。由于采用的FLASH最大讀周期時(shí)間至少為90ns，故只有在總線時(shí)鐘工作在10MHz以下頻率時(shí)可以直接將ACK_O端口與STB_I端口相聯(lián)。當(dāng)MASTER（指令CACHE）發(fā)出塊讀信號(hào)時(shí)，將發(fā)出一個(gè)LOCK_O＝VIH信號(hào)給總線仲裁器，要求總線能不間斷提供總線。其對(duì)SLAVE（FLASH接口部分）控制信號(hào)為：
---WE_I=VIL,CYC_I=VIH,STB_I=VIH，BYTE=VIH
---當(dāng)MASTER結(jié)束塊讀時(shí)發(fā)出STB_O= VIL信號(hào)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：
---module WBOPRT16(CLK_I, RST_I,WE_I,STB_I,ACK_O,DQ_I,DAT_O);
--- //WISHBONE SLAVE interface
---input CLK_I,RST_I,WE_I,STB_I;
---output ACK_O;
---output [15:0] DAT_O;
---//non-WISHBONE interface
---input [15:0] DQ_I;
---reg [15:0] DAT_O;
---always @(posedge CLK_I or negedge RST_I)
---begin :label_A
---if (!RST_I)
---DAT_O<=16'b0;//asynchronous reset
---else if ((STB_I & !WE_I)=='b1)
---DAT_O<=DQ_I;
---else
---DAT_O<=DAT_O;
---end
---assign ACK_O=STB_I;
---endmodule
FLASH寫接口設(shè)計(jì)
---因?yàn)镕LASH寫命令需要多個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)間，其中采用Unlock Bypass模式時(shí)為2個(gè)時(shí)鐘周期，采用正常寫模式需要4個(gè)時(shí)鐘周期，并且在對(duì)FLASH寫和擦寫時(shí)更是需要等待幾十微秒到幾秒鐘的時(shí)間，因此對(duì)接口SLAVE必須引入寫或擦寫完成狀態(tài)信號(hào)來(lái)控制總線數(shù)據(jù)的傳輸。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)采用RY/BY引腳來(lái)判斷。輸出端口原理圖與圖3類似，只需對(duì)部分端口進(jìn)行修改即可。
---為了能夠?qū)K保護(hù)的程序代碼進(jìn)行升級(jí)，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)12V電源電路來(lái)實(shí)現(xiàn)暫時(shí)塊寫保護(hù)解除功能，如圖4所示。利用Am29LV160D芯片提供的暫時(shí)塊寫保護(hù)解除模式——即通過(guò)對(duì)RESET＃引腳加VID電壓。在該模式下先前被保護(hù)的塊可以通過(guò)塊地址選中來(lái)進(jìn)行編程和擦除。并且一旦VID移除所有先前保護(hù)的塊恢復(fù)到保護(hù)狀態(tài)。
---圖4中RV控制信號(hào)處采用了R=5kΩ，C=100pF，以便使得VID電壓上升時(shí)間與下降時(shí)間≥500ns，從而滿足相應(yīng)的時(shí)序要求。肖特基二極管的引入保證了系統(tǒng)RESET信號(hào)被鉗制在Vcc＋0.3V以內(nèi)?？傮w上來(lái)說(shuō)，該電源隔離電路的引入對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成本影響很小，而使系統(tǒng)可以在線編程被保護(hù)的FLASH存儲(chǔ)塊。
---在進(jìn)行FLASH編程時(shí)部分要用到命令總線時(shí)序定義，如表1所示。
總結(jié)
---本文介紹了AMD公司Am29LV160D芯片特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于WISHBONE總線的接口。該接口設(shè)計(jì)方法對(duì)其他相關(guān)SoC總線接口設(shè)計(jì)具有直接的參考意義。