基于FPGA的串行Flash擴展實現(xiàn)

FPGA憑借其方便靈活、可重復(fù)編程等優(yōu)點而日益被廣泛應(yīng)用；閃速存儲器(Flash Memory)以其集成度高、成本低、使用方便等優(yōu)點，在眾多領(lǐng)域中也獲得了廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計中。經(jīng)常需要保存大量數(shù)據(jù)，而Flash存儲速度快、體積小、功耗低且價格低廉，可在線電擦寫，信息在掉電后不會丟失，因此成為設(shè)計人員的首選。

2 M25P80的介紹

Flash是一種具有電可擦除的可編程ROM，可以分為兩大類：并行Flash和串行Flash。并行Flash存儲量大，速度快；而串行Flash存儲量相對較小，但體積小，連線簡單，可減小電路面積，節(jié)約成本，二者各有其優(yōu)缺點，可依據(jù)實際需要選取。本文開發(fā)的系統(tǒng)對速度的要求不是很高，而對電路板的面積要求則較為苛刻，因此系統(tǒng)設(shè)計選用了串行FlashM25P80。

M25P80是意法半導(dǎo)體推出的一款高速8 Mbit串行Flash，共由16部分組成，每一部分有256頁，每頁有256個字節(jié)。M25P80具有先進的寫保護機制，讀取數(shù)據(jù)的最大時鐘速率為40 MHz。M25P80的工作電壓范圍為2.7 V～3.6 V，具有整體擦除和扇區(qū)擦除、靈活的頁編程指令和寫保護功能，數(shù)據(jù)保存至少20年，每個扇區(qū)可承受100 000次擦寫循環(huán)。并行Flash封裝通常需要28個以上的引腳，因此，額外支出大，而M25P80采用SO8封裝，需要的引腳數(shù)較少，從而節(jié)省了電路板空間，功率、系統(tǒng)噪聲和整體成本等都會大幅度降低，既經(jīng)濟又實用。

圖1為M25P80的引腳排列，其中Vcc和Vss分別為電源和地，其他6個引腳均可直接與FPGA的I／O引腳相連；寫保護引腳W和HOLD掛起引腳，用于數(shù)據(jù)保護和空閑模式的低功耗運行，若不用可將其置為高電平；S為片選信號，為低電平時表示器件被選中，否則工作在待機狀態(tài)；Q為串行數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿輸出Flash器件；D為串行數(shù)據(jù)輸入，包括傳輸指令、地址和輸人數(shù)據(jù)，輸入信號在時鐘的上升沿鎖存Flash器件中。C為串行時鐘，由FPGA提供時鐘。由于時鐘信號速率較高，所以在PCB布線時要特別注意減少干擾，最好采用地線屏蔽。

3 M25P80的指令操作

M25P80共有12條操作指令，所有指令都是8位，操作時先將片選信號(S)拉低選中器件，然后輸入8位操作指令字節(jié)，串行數(shù)據(jù)在片選信號S拉低后的第一個時鐘的上升沿被采樣，M25P80啟動內(nèi)部控制邏輯，自行完成相應(yīng)操作。指令后有時需輸入地址字節(jié)，必要時還要加入啞讀字節(jié)，最后操作完畢后再將片選信號拉高。下面簡單介紹幾條最常用的指令操作。

3.1 寫使能指令

頁面編程時，在寫寄存器或者擦除之前，必須先使用寫使能指令設(shè)置寄存器的寫使能位。在上電或?qū)懯鼓軣o效指令操作，以及頁面編程、寫寄存器及擦除指令完成時，該寫使能位復(fù)位。寫使能指令的時序比較簡單，指令0000 0110(06h)在片選信號拉低后的第一個時鐘的上升沿送入Flash，先輸入高位，指令輸入完成后立即拉高片選信號，否則Flash的保護機制則認(rèn)為是干擾信號而不執(zhí)行該指令。寫無效指令與寫使能指令類似，只是輸入的指令代碼為0000 0100(04h)。

3.2 讀／寫狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器在任何時候都可讀，即使在頁面編程、擦除或者寫寄存器時也可讀取寄存器，可被連續(xù)讀取狀態(tài)寄存器。片選信號拉低后立即送人8位的讀寄存器指令，接下來Flash將內(nèi)部寄存器的數(shù)值串行輸出，8位寄存器內(nèi)容反復(fù)輸出。

寫狀態(tài)寄存器的操作步驟：寫使能指令輸入完成后，拉高片選信號，F(xiàn)lash執(zhí)行讀使能指令設(shè)置寄存器。然后拉低片選信號，輸入寫寄存器指令和數(shù)據(jù)，隨后必須馬上拉高片選信號。

3.3 讀數(shù)據(jù)指令

片選信號拉低后，首先輸入8位讀數(shù)據(jù)指令，再輸入所要讀取內(nèi)容的24位首地址，地址指向的數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿輸出。數(shù)據(jù)輸出后，地址自動遞增，并指向下一個地址。傳輸下一個地址指向的數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)刂愤_到最高位后自動轉(zhuǎn)向首地址000000h，如此循環(huán)，讀出Flash中的全部內(nèi)容，直到片選信號拉高。讀數(shù)據(jù)指令時序如圖2所示。

3.4 頁面編程指令

在頁面編程之前，首先要輸入寫使能指令，F(xiàn)lash完成寄存器設(shè)置后片選信號拉低，輸入頁面編程指令，緊接著輸入編程地址和輸入數(shù)據(jù)。一次最多可輸入256字節(jié)數(shù)據(jù)，如果超出則只保留最后輸入的256字節(jié)。如果輸入的地址低8位不全為零，則從輸入的地址開始編程，編程至該頁最后，再從該頁的起始位置開始編寫。數(shù)據(jù)輸人完畢后片選信號必須置高。否則不執(zhí)行頁面編程指令。頁面編程指令時序圖如圖3所示。

3.5 擦除指令

擦除指令將Flash中的0置為1，分為部分擦除和整體擦除兩種指令。整體擦除指令和寫使能指令類似。只是輸入的指令代碼不同，而部分擦除指令只需要在指令代碼后輸入需要擦除的地址即可，一次可擦除一塊。執(zhí)行這兩條指令之前，需要先執(zhí)行寫使能指令。

4 硬件實現(xiàn)

Flash正常工作時必須嚴(yán)格按照Flash的時序控制信號。首次使用Flash時一定要先進行擦除操作，編程指令可以將1變?yōu)?。往Flash中寫入數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)寫入FPGA的ROM中，然后在FPGA內(nèi)部根據(jù)Flash的頁面編程時序?qū)?shù)據(jù)寫入Flash中。選用Altera公司的FPGA，所需的ROM模塊可以直接調(diào)用QuartusII中的宏功能模塊，編寫一個控制模塊控制讀取ROM的時間及地址，并將數(shù)據(jù)按照Flash的時序送入Flash中．頁面編程的模塊圖如圖4所示。選用的Flash容量較大，一般FPGA沒有這么大的存儲空間，所以數(shù)據(jù)可分多次寫入。FPGA的ROM中的數(shù)據(jù)保存在.mif文件中，.mif由Matlab直接生成.mif文件，也可在QuartusII軟件中生成。

Flash中的數(shù)據(jù)只要按照讀時序要求就可以順利讀入FPGA中進行運算。在調(diào)試中，為了驗證程序的正確性，可將從Flash中讀出的數(shù)據(jù)通過串口送到計算機，模塊圖如圖5所示。圖中的txmit為串口的發(fā)送端模塊圖，它負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)按照RS232C的時序格式輸出至計算機。flash_read模塊按照Flash的讀數(shù)據(jù)格式發(fā)出控制信號，并將從Flash讀出的數(shù)據(jù)按照字節(jié)打包送到txmit模塊。讀時序驗證無誤后，去除txmit模塊，將由Flash讀出的數(shù)據(jù)送到其他模塊參與運算。

需要注意的是，一些指令在操作完成后，需要留出一段時間Flash進行數(shù)據(jù)處理，如寫寄存器周期(tw)為5 ms～15 ms，頁面編程周期(tpp)為1.4 ms～5 ms，部分擦除周期(tse)為1 s～3 s，而整體擦除周期(tBE)為10 s～20 s。這些指令輸入結(jié)束后拉高片選信號足夠長的時間，也可以在執(zhí)行這些指令操作的同時讀取內(nèi)部寄存器值，以監(jiān)控上述周期是否結(jié)束。一旦檢測到指令執(zhí)行完畢則執(zhí)行后續(xù)操作，這樣可節(jié)省時間。如果忽略了Flash的處理時間則會發(fā)生錯誤，導(dǎo)致Flash無法正確執(zhí)行指令。

5 結(jié)束語

數(shù)字電路設(shè)計中經(jīng)常需要使用大容量存儲器，串行Flash體積小、占用系統(tǒng)資源少、連線簡單。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，F(xiàn)PGA在數(shù)字電路設(shè)計中所發(fā)揮的作用越來越大，廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)實現(xiàn)及功能驗證。利用FPGA直接控制flash接口時序，不僅節(jié)約了專用編程器的開支，而且方便靈活、便于移植。使用硬件描述語言編寫的接口時序，可重復(fù)利用，可移植性強。FPGA的靈活性和串行Flash的體積小的特點相結(jié)合，具有設(shè)計靈活、成本低廉、實用性強等優(yōu)勢，并具有重要的參考價值。