基于WISHBONE總線的FLASH閃存接口設(shè)計
[導(dǎo)讀]本文簡要介紹了AMD公司Am29LV160D芯片的特點，并對WISHBONE總線作了簡單的介紹，詳細說明了FLASH memory 與WISHBONE 總線的硬件接口設(shè)計及部分Verilog HDL程序源代碼。
摘 要 ： 本文簡要介紹了AMD公司Am29LV160D芯片的特點，并對WISHBONE總線作了簡單的介紹，詳細說明了FLASH memory 與WISHBONE 總線的硬件接口設(shè)計及部分Verilog HDL程序源代碼。
關(guān)鍵詞 ：閃存；接口；WISHBONE； FPGA
引言
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計者已能將微處理器、模擬IP核、數(shù)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(tǒng)(SoC)數(shù)據(jù)記錄需要低功耗、大容量、可快速重復(fù)擦寫的存儲器。常用的介質(zhì)主要有：動態(tài)存儲器（DRAM）、靜態(tài)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?jǐn)?shù)據(jù)，會占用微處理器時間，同時增加了功耗；SRAM雖然不需要動態(tài)刷新，但價格太貴，并且斷電后跟DRAM一樣數(shù)據(jù)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(yōu)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(qū)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(shù)據(jù)表的應(yīng)用場合，以及作為一種高密度的、非易失的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)FLASH是理想的器件選擇。在我們設(shè)計的系統(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實現(xiàn)接口，由于Openrisc1200（OR1200）采用WISHBONE總線，所以本設(shè)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(tài)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(jié)構(gòu)，非常適用于要求高密度的代碼或數(shù)據(jù)存儲的低功耗系統(tǒng)。
● 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(shù)據(jù)時為9mA；
編程/擦除模式下電流為20mA。
● 靈活的分塊結(jié)構(gòu)
一個16KB，兩個8KB，一個32KB，和31個64KB塊（字節(jié)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(fù)雜的塊保護特性。
● 具有內(nèi)部嵌入算法
內(nèi)部嵌入擦除算法自動預(yù)編程和擦除整個芯片或任意塊的組合；
內(nèi)部嵌入算法自動將給定地址的數(shù)據(jù)寫入芯片及對其校驗。
● 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)品市場化的速度。WISHBONE總線規(guī)范可用于軟核、固核和硬核，對開發(fā)工具和目標(biāo)硬件沒有特殊要求，并且?guī)缀跫嫒菟械木C合工具，可以用多種硬件描述語言來實現(xiàn)。
靈活性是WISHBONE總線的另一個優(yōu)點。由于IP核種類多樣，其間并沒有一種統(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：
點到點（point-to-point），用于兩IP核直接互連；
數(shù)據(jù)流（data flow），用于多個串行IP核之間的數(shù)據(jù)并發(fā)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(guān)（crossbar switch），同時連接多個主從部件，提高系統(tǒng)吞吐量。
FLASH接口的設(shè)計
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)計中采用將低位與FLASH相聯(lián)接,并將接口位度設(shè)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(xiàn)。系統(tǒng)選用Xilinx公司最新推出的90nm工藝制造的現(xiàn)場可編程門陣列芯片Spartan-3來實現(xiàn)接口設(shè)計，利用它的可編程性特性帶來了電路設(shè)計的簡單化和調(diào)試的靈活性。
FLASH讀接口設(shè)計
該接口可實現(xiàn)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(lián)。當(dāng)MASTER（指令CACHE）發(fā)出塊讀信號時，將發(fā)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(dāng)MASTER結(jié)束塊讀時發(fā)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：
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
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(tài)信號來控制總線數(shù)據(jù)的傳輸。為簡化設(shè)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?qū)K保護的程序代碼進行升級，特別設(shè)計了一個12V電源電路來實現(xiàn)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(fù)到保護狀態(tài)。
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(yīng)的時序要求。肖特基二極管的引入保證了系統(tǒng)RESET信號被鉗制在Vcc＋0.3V以內(nèi)?？傮w上來說，該電源隔離電路的引入對整個系統(tǒng)的成本影響很小，而使系統(tǒng)可以在線編程被保護的FLASH存儲塊。
在進行FLASH編程時部分要用到命令總線時序定義，如表1所示。
總結(jié)
本文介紹了AMD公司Am29LV160D芯片特點，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于WISHBONE總線的接口。該接口設(shè)計方法對其他相關(guān)SoC總線接口設(shè)計具有直接的參考意義。
參考文獻
1 AMD Am29LV160D Data Sheet .AMD Corporation
2 WISHBONE SoC Architecture Specification.
Revision B.3. Silicore Corporation
3 鄧良惠,梁國龍. 超大容量FLASH閃存與
DSP的數(shù)據(jù)存儲接口技術(shù).設(shè)計與應(yīng)用
關(guān)鍵詞 ：閃存；接口；WISHBONE； FPGA
引言
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計者已能將微處理器、模擬IP核、數(shù)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(tǒng)(SoC)數(shù)據(jù)記錄需要低功耗、大容量、可快速重復(fù)擦寫的存儲器。常用的介質(zhì)主要有：動態(tài)存儲器（DRAM）、靜態(tài)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?jǐn)?shù)據(jù)，會占用微處理器時間，同時增加了功耗；SRAM雖然不需要動態(tài)刷新，但價格太貴，并且斷電后跟DRAM一樣數(shù)據(jù)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(yōu)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(qū)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(shù)據(jù)表的應(yīng)用場合，以及作為一種高密度的、非易失的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)FLASH是理想的器件選擇。在我們設(shè)計的系統(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實現(xiàn)接口，由于Openrisc1200（OR1200）采用WISHBONE總線，所以本設(shè)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(tài)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(jié)構(gòu)，非常適用于要求高密度的代碼或數(shù)據(jù)存儲的低功耗系統(tǒng)。
● 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(shù)據(jù)時為9mA；
編程/擦除模式下電流為20mA。
● 靈活的分塊結(jié)構(gòu)
一個16KB，兩個8KB，一個32KB，和31個64KB塊（字節(jié)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(fù)雜的塊保護特性。
● 具有內(nèi)部嵌入算法
內(nèi)部嵌入擦除算法自動預(yù)編程和擦除整個芯片或任意塊的組合；
內(nèi)部嵌入算法自動將給定地址的數(shù)據(jù)寫入芯片及對其校驗。
● 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)品市場化的速度。WISHBONE總線規(guī)范可用于軟核、固核和硬核，對開發(fā)工具和目標(biāo)硬件沒有特殊要求，并且?guī)缀跫嫒菟械木C合工具，可以用多種硬件描述語言來實現(xiàn)。
靈活性是WISHBONE總線的另一個優(yōu)點。由于IP核種類多樣，其間并沒有一種統(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：
點到點（point-to-point），用于兩IP核直接互連；
數(shù)據(jù)流（data flow），用于多個串行IP核之間的數(shù)據(jù)并發(fā)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(guān)（crossbar switch），同時連接多個主從部件，提高系統(tǒng)吞吐量。
FLASH接口的設(shè)計
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)計中采用將低位與FLASH相聯(lián)接,并將接口位度設(shè)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(xiàn)。系統(tǒng)選用Xilinx公司最新推出的90nm工藝制造的現(xiàn)場可編程門陣列芯片Spartan-3來實現(xiàn)接口設(shè)計，利用它的可編程性特性帶來了電路設(shè)計的簡單化和調(diào)試的靈活性。
FLASH讀接口設(shè)計
該接口可實現(xiàn)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(lián)。當(dāng)MASTER（指令CACHE）發(fā)出塊讀信號時，將發(fā)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(dāng)MASTER結(jié)束塊讀時發(fā)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：
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
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(tài)信號來控制總線數(shù)據(jù)的傳輸。為簡化設(shè)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?qū)K保護的程序代碼進行升級，特別設(shè)計了一個12V電源電路來實現(xiàn)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(fù)到保護狀態(tài)。
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(yīng)的時序要求。肖特基二極管的引入保證了系統(tǒng)RESET信號被鉗制在Vcc＋0.3V以內(nèi)?？傮w上來說，該電源隔離電路的引入對整個系統(tǒng)的成本影響很小，而使系統(tǒng)可以在線編程被保護的FLASH存儲塊。
在進行FLASH編程時部分要用到命令總線時序定義，如表1所示。
總結(jié)
本文介紹了AMD公司Am29LV160D芯片特點，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于WISHBONE總線的接口。該接口設(shè)計方法對其他相關(guān)SoC總線接口設(shè)計具有直接的參考意義。
參考文獻
1 AMD Am29LV160D Data Sheet .AMD Corporation
2 WISHBONE SoC Architecture Specification.
Revision B.3. Silicore Corporation
3 鄧良惠,梁國龍. 超大容量FLASH閃存與
DSP的數(shù)據(jù)存儲接口技術(shù).設(shè)計與應(yīng)用
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